автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Оптимизация кинетики сушки в фильтрационных сушильных установках периодического действия

На правах рукописи

ШАПОВАЛОВА ГАЛИНА ПАВЛОВНА

ОПТИМИЗАЦИЯ КИНЕТИКИ СУШКИ В ФИЛЬТРАЦИОННЫХ СУШИЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

Специальность 05 14.04. - Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1998 г

Рабша выполнена на кафедре "Теиломассообменные процессы и усганопки" Московского энергетического института '(технического университета).

Научный руководитель: доктор технических наук,

Официальные оппоненты заслуженный деятель науки и техники РФ,

академик МАХ, доктор технических наук, профессор Леончик Б.И.

Защита диссертации состоится "19" июня 1998 года в 16.00 в аудитории Г-410 на заседании диссертационного Совета К.053.16.03 Московского энергетического института (технического университета), г.Москва, Красноказарменная ул., д 17.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим присылать по адресу: 111250, г.Москва, ул. Красноказарменная, д.14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

профессор Данилов О.Л.

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Рудобашта С.П.

Ведущая организация: ВНИИ консервной и овощесушильной промышленности.

Автореферат разослан

1998 года.

Ученый секретарь диссертационного Совета К 053.16.03 к т.п , доцент

Н.В. Кулешов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы обуславливается необходимостью проведения активной энергосберегающей политики, в том числе и в технологии такого энергоемкого теплотехнологического процесса как сушка.

Анализ наиболее значимых работ в области энергосбережения при тепловой сушке показывает, что ряд принципиальных для энергетической оптимизации процессов сушки и сушильных установок вопросов остаются к настоящему времени малоизученными. К ним, с нашей точки зрения, относятся: влияние неравномерности тепломассообмена в пространстве и во времени в рабочих камерах сушильных установок на продолжительность процесса; отсутствие аналитических и численных методов анализа влияния неравномерности кинетики сушки на энергоемкость установок, оценка потенциала энергосбережения за счет снижения неравномерности кинетики сушки в зависимости от изменения режимно-конструктивных параметров конкретных сушильных установок и ряд других сторон проблемы тепловой сушки.

Есть теоретические основания полагать, что отказ от учета только неравномерности начального распределения параметров сушильного агента в конвективных сушильных установках приводит к завышению на 20-50% непроизводительных энергозатрат, на 10-40% - капитальных затрат.

Снижение неравномерности сушки за счет дополнительного локального энергоиодвода в определенных случаях позволяет' получить энергосберегающий эффект. В рамках настоящей работы осуществляется исследование отмеченных выше вопросов и установление количественных зависимостей энергосберегающего эффекта для решения практических задач.

Цель работы: Выявление возможностей совершенствования сушильных установок периодического действия при неравномерности пространственного распределения параметров рабочих сред, разработка методик, алгоритмов и программных продуктов для расчета влияния конструктивных решений и технологических операций на эффект энергосбережения.

Научная новизна: Параметрическими исследованиями доказана энергетическая эффективность снижения неравномерности сушки путем наложения на профиль поля конвективного потока регламенгированного поля потока радиационного излучения.

Математическое описание кинетики сушки, разработанное на базе модели десорбции влаги, впервые адаптировано к периодической сушке в фильтрующемся слое дисперсных и волокнистых материалов с неравномерным распределением параметров сушки по нирине и толщине слоя в сушильной камере.

Исследовано влияние на динамику, кинетику сушки и энергосберегающий эффект частных приемов снижения кинетической неравномерности: регламентированного подвода к сушимому материалу инфракрасной энергии, выравнивания неравномерности энергоподвода за счет реверсии, одно- и многократного перемешивания слоя; получены зависимости для количественной оценки энергосберегающего эффекта и рекомендации по оптимальным условиям реализации приемов энергосбережения.

С помощью современной термоанемометрической аппаратуры диагностированы модельные варианты конструктивного исполнения сушильных камер периодического действия, установлены качественные и количественные закономерности изменения неравномерности профиля скорости сушильного агента в наиболее распространенных и оригинальных вариантах конструктивного оформления периодических сушилок.

Автор защищает:

- метод расчета полей влагосодержания в слое сушимого материала в фильтрационных сушильных установках периодического действия со смешанным конвективно-радиационным теплоподводом;

- обнаруженные закономерности массопереноса в слое сушимого материала при фильтрационной сушке при смешанном энергоподводе;

- предложенные способы оценки энергосберегающего эффекта при проведении различных мероприятий, направленных на снижение неравномерности скорости сушки;

- результаты экспериментальных исследований полей скорости сушильного агента в фильтрационных сушильных установках периодического действия с различным подводом сушильного агента;

- полученные аналитические зависимости степени черноты влажного материала от влагосодержания.

Практическая ценность работы: Создана программа расчета полей влагосодержания материала и сушильного агента с учетом совместного радиационно-конвективного подвода теши, позволяющая при проектировании минимизировать энергозатраты на сушку. Расчетным путем показано, что в конвективных камерных сушилках периодического

действия применение ИК-излучателей для выравнивания неравномерности подводимого конвективного теплового потока приводит не только к сокращению времени сушки, но и к сокращению энергозатрат на единицу готовой продукции.

На основании проведенных экспериментов на модельных образцах определены уровни неравномерности конвективного теплового потока. Показано, что уровни неравномерности скорости в сушильной камере таковы, чго энергосбережение путем установки ИК-излучателей имеет смысл.

Создана методика, позволяющая оптимизировать расстановку ИК-излучателей в фильтрационной сушилке периодического действия, в том числе с учетом падающей солнечной энергии на боковую стенку.

Апробация работы: Результаты работы были доложены и обсуждены на Второй международной научно-технической конференции "Новые методы и средства экономии энергоресурсов и экологические проблемы энергетики" (I Москва, 3-5 октября 1995г.), па 3-м Минском международном форуме Теиломассообмен-ММФ-96"(20-24 мая 1996г.) и на Международной научной конференции "Рациональные пути использования вторичных ресурсов АПК" (г. Краснодар. 23-26 сентября 1997г.).

Публикации: Научные положения, выводы и рекомендации изложены в 5 опубликованных работах.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, состоящего из 111 наименований. Общий объем составляет 176 страниц, в том числе 118 страниц текста, 47 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАЬОТЫ

Во введении сформулированы основные положения выносимые на защиту и обоснована актуальность рассматриваемой темы как с теплотехнической точки зрения, так и технологической. Последнее важно при сушке растительного термочувствительного сырья..

Одной из малоизученных причин больших тепловых потерь в таких сушилках являсгся неравномерность распределения определяющих сушку параметров по сечению сушильной камеры. Поскольку скрытые потери энергии за счет как транспортной, так и кинетической неравномерности

достигают 40+45% от подводимой энергии, то поиск и исследование возможностей снижения неравномерности сушки относится к числу важных проблем энергосбережения.

В первой главе рассмогрсны особенности периодической сушки дисперсных материалов в камерных сушилках плотного слоя. Подчеркивается, что существующие конструкции и определяющий механизм теплообмена в слое приводят к тому, что в сушильной установке при неравномерном профиле скорости сушильного агента в одной части рабочей камеры наблюдается недосушивание материала, в другой - пересушивание.

Непрерывное изменение в периодической сушильной установке влагосодержания материала, накладываемое на неравномерное поле влагосодержаний по ширине сушильной камеры, усугубляет сложность аналитических и численных исследований рассматриваемой проблемы.

Проведенный анализ позволил сформулировать цель и задачи настоящего исследования: выявление возможностей совершенствования сушильных установок периодического действия при неравномерности пространственного распределения параметров рабочих сред; разработка методик, алгоритмов и программных продуктов для расчета влияния конструктивных решений и технологических операций на эффект энергосбережения; адаптация математических моделей кинетики сушки, основанных на расчете интенсивности сушки во II периоде за счет десорбции влаги, к периодическим процесса сушки путем фильтрации сушильного агента через плотный слой дисперсных и волоки истых материалов; выявление физических возможностей снижения неравномерности сушки при степенной зависимости коэффициента массоотдачи от скорости сушильного агента и количественная оценка влияния режимно-конструктивных параметров на энергосберегающий эффект; расчетно-аналитическое исследование влияния терморадиационного излучения на снижение неравномерности сушки.

Во второй главе исследуется возможность использования локализованного радиационного подвода энергии от ТЭН для снижения отрицательного эффекта от неравномерности конвективной сушки, используя расчетные соотношения для определения поля лучистого потока от единичного цилиндрического источника излучения с параболоцилиндрическим отражателем, полученные по аналогии со световым потоком Разработан программный продукт для расчета суммарного поля лучистого потока от нескольких ТЭНов, произвольно расположенных над плоской поверхностью. В работе путем численного

эксперимента исследовано влияние диаметра ТЭН, температуры излучающей поверхности, расстояния от ТЭН до поверхности облучения, шага расстановки излучателей в плоскости, параллельной поверхности материала, на суммарный лучистый поток. Оценена значимость каждого из указанных параметров на результирующий эффект в условиях сушки дисперсных материалов, кинетика которых соответствует первому периоду сушки. Предложен критерий, характеризующий неравномерность поля облученности, использованный для создания априори заданного поля плотности теплового потока. Методом покоординатного спуска решена задача минимизации предложенного критерия. Показано, что равномерность поля радиационного потока существенно возрастает при увеличении расстояния между ТЭН и облучаемой поверхностью и снижается при увеличении диаметра, температуры и шага ТЭН в установке. Некоторые результаты численного эксперимента приведены на рис. 1 и 2.

ж о 12

»10

im

» 5* 11t 15• Х,мм

Рис.! Влияние температуры излучающей поверхности (Т) и расстояния между ТЭН (S) на величину и распределение лучистого потока.

ite

2tt

зоо

У.мы

4tt S.uu

Рис.2 Влияние различных факторов на равномерность поля облученности поверхности.

Для численного эксперимента по влиянию различных факторов на степень неравномерности поля теплового потока необходима зависимость степени черноты сушимого материала от влагосодержания, которое непрерывно изменяется в процессе сушки. Получение аналитически зависимости степени черноты поверхности влажного материала от влагосодержания актуально как для повышения достоверности научно-

обоснованной методики расчета продолжительности сушки в периодической сушилке, так и для идентификации тепловых образов материалов, полученных тепловизионным способом.

Для установления связи влагосодержания материала со степенью его черноты рассматривали модель поверхности влажного материала в виде трех плоских слосв диэлектриков, двух прозрачных (воздух и вода) и одного поглощающего (материал). Отношения амплитуд волн, отраженных на границах раздела, составят:

L'2 ^ v2+v,' (vj+v^ + fc2 (1)

где vi vjvj - показатели преломления первого, второго, третьего диэлектриков, Хэ - показатель поглощения третьего диэлектрика.

Волны, уходящие обратно в первый диэлектрик после одного отражения, одного отражения и двух преломлений, трех отражений и двух преломлений и т.д., подвергаются интерференции с образованием волны:

LnlEoy I ехр ( in+itpoy -i ® v, z - i со t )+ (2)

+ I RuR^L^'L!!""' lEoy |exp( шуи+ «^+2ni" v2h - i ® v, z - i oo t) =

со

№ Rn R21 Lo exp (fyn +2 i ~ v2h)

- lEoy |ехр(/фоу-/~ v,z-icot)[--- -Lu]

l-LoL^exp (ttz¡+2i~ v2h)

где со - круговая частота монохроматической волны, с - скорость света в вакууме, h - толщина слоя второго диэлектрика (воды).

Введя обозначение: р, = 2^7 v2h + arctg у "г ' "Р4530™®™"014®®

собой безразмерную толщину слоя второго диэлектрика (воды), получим следующее выражение для коэффициента отражения влажного диэлектрика:

Li23 + Ьп +2 L12 L23 eos р, Г+Ь^ + ^+гЬиЬпСОЯр, л'

Как следует из записанной выше формулы, по отношению к монохроматическому излучению коэффициент отражения - периодическая функция частоты, причем период убывает с ростом толщины водяных пленок. Поэтому влагосодержание влажного диэлектрика можно определить по спектральному коэффициенту отражения как функцию частоты.

В третьей главе проведено численное исследование конвективно-радиационной сушки при фильтрации сушильного агента сквозь слой влажного материала. Наложение радиационного потока от ТЭНов, применяемое для кинетической линеаризации и интенсификации процесса сушки, усложняет физическую картину процесса сушки в плотном слое дисперсного материала. В рассматриваемой нами модели принимается в первом приближении аддитивное воздействие конвективного и радиационного потоков тепла на сушимый материал. В рамках этой математической модели неравномерный массообмсн в перекрестно-точной сушильной установке при наложении радиационного потока может быть описан системой дифференциальных уравнений переноса:

дк'Ь (г+гу) ^ г Ь Н (4>

«Г ""М V»] ' ''гМИ (5)

Уравнения решаются при следующих граничных условиях: м = \у-, г|«=о = г., где - начальное приведенное влагосодержанис сушимого материала, г> - влагосодержание сушильного агента на входе в фильтрационную сушильную установку, где ъ - влагосодержанис сушильного агента, № - приведенное влагосодержание сушимого материала, 7, - влагосодержание адиабатного испарения для сушильного агента, ц» -отношение молярных масс водяного пара и воздуха, Р(н>) - обобщенная кривая скорости сушки, р - коэффициент массоотдачи, Б - объемная площадь поверхности материала, Ь - плотность потока массы сушильного агента, М -объемная масса сушимого материала, х- пространственная координата, I -временная координата, 0(х) - объемная плотность поглощения потока излучения, Н-толщииа слоя материала.

Система дифференциальных уравнений (4), (5) описывает процесс сушки произвольного материала при произвольной форме обобщенной кривой скорости сушки. В роли обобщенной скорости сушки может выступать скорость сушки в первом периоде:

Записанная зависимость для скорости сушки в первом периоде учитывает концентрационную диффузию и конвективный поток Стефана в качестве движущих сил массоотдачи. Согласно С.И. Коновальцеву, она позволяет описывать зависимость скорости сушки от параметров сушильного агента во всем диапазоне их изменения, включая так называемую инверсию интенсивности испарения. В уравнения входит

/

кинеггическая функция первого рода Р(*>). Она определяется характером сушимого материала. В первом периоде сушки она является постоянной и равна единице, а во втором периоде для большинства сушимых материалов ее значение меняется.

Допустив отсутствие перетечек влаги и тепла по ширине камеры за счет теплопроводности н капиллярных сил, можно численно исследовать решение системы дифференциальных уравнений с целью выявления влияния на эволюцию полей влагосодержания, в первую очередь, кинетических особенностей различных материалов, параметров сушки.

Алгоритм расчета поля влагосодержания материала на отдельном участке включал в себя последовательное решение задачи Коши для приведенных выше уравнений явным двухэтапным методом Рунге-Кутта второго порядка точности. Выбор метода 2-го порядка точности обусловлен необходимостью применения достаточно большого шага по времени для решения уравнения. В процессе расчета проводилось интегрирование значений влагосодержания по толщине слоя материала и находилось его среднеинтегральное значение. Исходными данными для расчетов являются критическое, равновесное, начальное влагосодержание (для материала и воздуха), расход, толщина слоя, погонная масса и погонная поверхность, коэффициент массоотдачи, показатель степени в кинетической функции, а также падающий лучистый поток при расчетах конвективно-радиационной сушки.

Анализ результатов расчета показал, что рост начального влагосодержания и сушильного агента, и материала, также как и толщины слоя приводит к увеличению продолжительности сушки, что очевидно и соответствует нашим представлениям о физике процесса. Увеличение равновесного влагосодержания, напротив, приводит к сокращению времени сушки. С ростом показателя кинетики сушки % время сушки возрастает, причем зависимость имеет экспоненциальный характер. Другой важной задачей настоящего исследования являлось изучение влияния дополнительного радиационного потока тепла на продолжительность суплси. Огличне времени сушки при конвективном и конвективно-радиационном подводе тепла будет зависеть от величины конечного влагосодержания материала. Так, например, в рассматриваемом случае для достижения -кг

0,5 ~ при конвективном способе сушки требуется примерно 10 часов, а при

кг

конвективно-радиационном - 5 часов. Если - 0,6 ~, то разница составит

3,$ часа в связи с тем, что скорость сушки зависит от влагосодержания материала через кинетическую функцию, причем особенно это будет

Н = квг

0 4 II (I

Ширина полки сушильном камеры

Рис.3 Сравнение нолей влагосодержания сушимого материала при конвективио-радиициоиной сушкс для 114),5м и 11—0,2м.

'0

'0 Ню :; 0.5гк-р)'

1.5(к| 1.5(к-р|1|

о.г о,4 оо о.8

Ширина полки сушильном камеры

Рис.4 Поля влагосодержания материала с при

конвективном и конвективно-радиационном подводе тепла.

заметно во втором периоде сушки. При численных исследованиях также установлено, что увеличение мощности ТЭН в 1,7 раза приводит к сокращению времени сушки еще примерно на 1 час, по сравнению с исходными нагревателями.

Для оценки возможности уменьшения неравномерности конвективной сушки путем наложения радиационного потока тепла от ТЭН была введена

г А

так называемая степень неравномерности сушки I = ~, где = - адг,^

"н

и выполнено сравнение изменения степени неравномерности £ во времени сушки. Расчеты показали, что до некоторого момента времени наблюдается линейный рост неравномерности сушки, а после прохождения максимума (для конвективной сушки максимальное значение неравномерности составляет 80%, для конвективно-радиационной - 57%), происходит убывание, причем для случая с радиацией более заметно. Имеется толщина, для которой эффект от установки излучателей - максимален. Эта толщина зависит от теплофизичсских и оптических свойств материала, от его кинетической функции.

Кроме того, было численно исследовано влияние показателя кинетики сушки % для различных материалов от капиллярно-пористых до коллоидных (0,5-<-2,0) на продолжительность II периода сушки. Расчеты выполнены с интервалом 30 минут для двух значений показателя кинетики сушки х: 0.5 и 2,0. Установлено, что применение дополнительного радиационного потока для материалов с х = 0,5 приводит к сокращению времени сушки в среднем » в 5 раз, а для материалов с % = 2,0 - в 3,5 раза. Следовательно, использование ТЭН для уменьшения неравномерности сушки дает более заметные результаты при сушке капиллярно-пористых материалов. Некоторые результаты исследования приведены на рис.3 и 4.

В четвертой главе изложены физические соображения о теплотехнологических приемах, способных обеспечить направленное изменение неравномерности тепломассообмена, и оценены тенденции изменения ресурсосберегающего эффекта от изменения неравномерности распределения параметров. Среди технически реализуемых приемов применительно к фильтрационным сушилкам периодического действия можно рассматривать снижение кинетической неравномерности за счет: распределения дополнительных источников энергии при конвективно-радиационной сушке и изменения направления продувки плотного слоя сушильным агентом ( перемешивания по толщине слоя сушимого материала, инверсии поля скорости сушильного агента в поперечном сечении камеры, реверсии потока сушильного агента через слой сушимого материала).

N .¡х <7>

Для определения энергосберегающего эффекта от применения той или иной тешютехнологической операции сравнивают продолжительность сушки в условиях равномерного и неравномерного тепломассообмена влажного исходного материала до достижения одинакового конечного среднего влагосодержания готового продукта. Можно показать, что в фильтрационной сушилке с бесконечно тонким слоем сушимого материала, в которой обобщенная скорость сушки N не зависит от влагосодержания материала, справедливо выраженне_

_ УоУЯ _ Г( ш0>Р( ^

где х - время сушки, аде, ад - приведенные начальное и конечное влагосодержание сушимого материала, Щ ад0 ), Р( ад ) - кинетические функции второго рода, а - коэффициент пропорциональности, ] - плотность потока сушильного агента. Тогда

ад»] (8)

где ад ) - кинетическая функция первого рода.

Поскольку выражение (8) больше нуля, следовательно, при равномерном распределении сушильного агента в поперечном сечении сушильной камеры конечное приведенное влагосодержание ад,, будет меньше, чем ад„. Из сказанного следует, что продолжительность сушки до заданного конечного приведенного влагосодержания при равномерном распределении скорости сушильного агента Хр, меньше, чем продолжительность сушки при неравномерном распределении выбранного

управляющего параметра т„,. Соотношение этих величин ю = ,

тр«

называемое паразитным удлинением времени сушки, можно связать с непроизводительными энергозатратами. В работе рассмотрены факторы, влияющие на эволюцию профиля обобщенной скорости сушки, в том числе конструкция газоподводящего узла. Показано, что из трех решений (фронтальный подвод, боковой подвод и боковой подвод с треугольной камерой) предпочтение следует отдавать последнему. Приведено выражение для определения паразитного удлинения времени сушки.

ю~ ад,-ад, *____

Гад0-2адк ) + -ЗЬ-

Т^^Г^г ад0-адк?ЧТГи2т

где 1\ и2 - скорость сушильного агента в правой и левой части сушильной камеры.

По результатам численных исследований можно сделать выводы о том, что энергосберегающий эффект наиболее заметен при увеличении начального влагосодержания, расхода материала, длительности работы установки и уменьшении конечного влагосодержания, причем зависимости имеют линейный характер. Также установлено, что экономия теплоты и условного топлива нелинейно зависит от степени неравномерности профиля скорости в сушильной камере и, как и следовало ожидать, при увеличении неравномерности эффект энергосбережения становится заметнее. Снижение интенсивности сушки при неравномерном профиле скорости сушильного агента, увеличивающее непроизводительные энергозатраты при сушке в плотном слое, частично можно компенсировать двумя приемами: инверсией - симметричным преобразованием профиля скорости сушильного агента относительно продольной оси его движения, достигаемое в промышленных условиях периодическим изменением подачи сушильного агента слева и справа и реверсией - симметричным преобразованием профиля скорости сушильного агента относительно поперечной оси его движения, достигаемое подачей сушильного агента с периодически изменяемым направлением (снизу вверх и сверху вниз).

Для анализа возможностей энергосбережения при использовании конвективно-радиационной сушки рассматривались случаи равномерного и неравномерного распределения плотности теплового потока по ширине сушильной камеры. Показано, что в первом случае с учетом потерь тепла с уходящим сушильным агентом конвективно-радиационная сушка энергетически выгоднее конвективной. Для второго случая получено соотношение между энергетическими затратами при конвективной и конвективно-радиационной сушке в виде:

Как видно, энергосберегающий эффект определяется теперь ие только параметрами материала теплоносителя, но и соотношением минимального и среднего расходов, а также максимального и среднего тепловых потоков, т.о. характером неравномерности. Энергосбережение в данном процессе тем больше, чем больше неравномерность скорости и радиационного потока. Необходимо, чтобы неравномерность по ширине полки уходящего из материала потока влаги, была наименьшей при наименьшем подводимом радиационном потоке.

(10)

Рассматривая процесс сушки как в I, так и во II периоде, проведены численные исследования энергосберегающего эффекта на базе решения уравнения (11), типичные результаты которых приведены на Рис.5.

+ ^ (U)

Конечное влкгосодсрхашс материала. Wr.xnrtir 0,1 0.2 0,3 0.4 0.5

•4.0

3

4 г2

.Z

'v Ji*"

0.5 0,75 1.0 Соотношение тепловых потптов QirfQir-p

l-dQ = f(Wx)

2 - dB = £(Wx)

3 - dQ - f(Q*/Qr-p)

4 - dB = fCQr/Qic-p)

Рис.5. Результаты численного эксперимента.

В пятой главе приведены результаты исследования возможностей реализации теоретической модели управления неравномерностью определяющих процесс сушки параметров в условиях сложной конфшурации сушильной камеры. Сопоставление расчетных данных, полученных на базе предлагаемого математического описания процесса периодической сушки применительно к простой конструкции установки с экспериментальными данными Гавриленкова A.M. по сушке сложного материала растительного происхождения - солода, представляющего собой совокупность частиц коллоидного капиллярно-пористого материала неправильной формы, анизотропных, с большим диапазоном изменения влагосодержания и существенными изменениями переносных характеристик при изменении влагосодержания подтвердило адекватность теоретических представлений физической сущности процесса сушки (Рис.6).

Разработанная методика энергетической оптимизации апробирована применительно к предложенной оригинальной конструкции многополочной сушильной установки с переменным по ходу движения сушильного агента сечением, для чего создана экспериментальная сушильная камера с подвижной боковой стенкой и различными газоподводящими узлами

Рнс.6 Сравнение расчетных и экспериментальных данных для сушки слоя солода.

Рис.8 Результаты исследования модели сушильной камеры при подводе сушильного агента слева.

Рнс. 7 Схема экспериментальной установки. 1-вентилятор, 2-гибкий участок, 3-модель сушильной камеры, 4-координатное устройство, 5-термоанемометр, 6-вольтметр

(Рис.7); с помощью современной термоанемометрической диапюстирующсй аппаратуры изучена аэродинамика камеры (Рис.8), Исследованию на аэродинамической установке открытого типа подвергалась сушильная камера с переменным по ходу движения воздуха сечением. Конструкция камеры имела два различных способа подвода сушильного агента: вертикальный и боковой. Модель камеры имела также боковую стенку, открываемую на угол а, имитируя конструкцию наиболее универсальной сушилки для случая сушки сильно усаживающихся материалов. В обоих случаях находили эпюру скорости потока в трех контрольных сечениях. Быйи исследованы эпюры скорости турбулентного потока при следующих положениях боковой стенки: боковая стенка закрыта (а=0°); боковая стенка открыта (а^15°); (а=30°) - сначала при подаче воздуха снизу, а затем сбоку. Координатное устройство, сконструированное на базе микрометрической головки, позволяло перемещать однониточный термоансмометрический датчик, как в продольном, так и в поперечном направлении, минимальный шаг которого может составлять 0.01 мм.

Полученные результаты были инсталлированы в программный продукт по энергетической оптимизации конвективно-радиационной сушки, что позволило установить координаты расположения ТЭНов для снижения неравномерности сушки. Коррелированное относительно эпюры скорости сушильного агента расположение ТЭНов позволило получить достаточные доказательства возможности снижения неравномерности конвективной сутки в камерной периодической установке за счет наложения регламентированного потока излучения (Рис.9).

Рис.9 Поля влагосодержания тонкого слоя песка, полученные экспериментальным и расчетным путем. 1,2,3 - для конвективной сушки; 4,5,6 - для конвективно-радиационной сушки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Основные результаты, полученные в данной работе:

1. Проведено комплексное исследование влияния пространственно-временной неравномерности распределения управляющих кинетикой сушки параметров, доказавшее, что управление неравномерностью позволяет сократить продолжительность сушки и непроизводительные энергозатраты на 25-*45%, повысить качество высушиваемых материалов, что особенно актуально при обезвоживании материалов растительного происхождения.

2. Исследовано влияние на динамику, кинетику сушки и энергосберегающий эффект частных приемов снижения кинетической неравномерности, таких как: регламентированного подвода к сушимому материалу инфракрасной энергии, выравнивания неравномерности энергоподвода за счет инверсии и реверсии.

3. Доказана энергетическая эффективность снижения неравномерности сушки путем наложения на профиль поля конвективного потока дополнительного лучистого потока с длиной волны излучения более 3 мкм. Разработаны алгоритм и программа расчета, позволяющие рассчитывать поле облученности от ряда ТЭНов с параболоцилиндрическими отражателями в зависимости от различных факторов, оказывающих влияние на равномерность радиационного потока, а также оптимизировать их расстановку в фильтрационной камерной сушилке периодического действия для выравнивания неравномерного профиля конвективного потока.

4. Для расчета и оптимизации периодической конвективно-радиационной сушки аналитически получены зависимости степени черноты поверхности влажного материала от влагосодержания.

5. Математическое описание кинетики сушки, разработанное С.И. Коновальцсвым на базе модели десорбции влаги, адаптировано к периодической сушке в фильтрующемся слое дисперсных и волокнистых материалов с неравномерным распределением параметров сушки по ширине и толщине слоя в сушильной камере. Создана программа расчета полей влагосодержания материала и сушильного агента с учетом совместного радиационно-конвективного подвода тепла и проведено численное расчетно-аналитическое исследование влияния терморадиационного излучения на снижение неравномерности и продолжительность сушки как для варианта с

неравномерным теплоподводом, так и при уменьшении неравномерности путем размещения ТЭНов.

6. Посредством численного эксперимента изучено влияние показателя кинетики сушки % на энергетические характеристики сушильной установки периодического действия для различных групп материалов. Установлено, что-использование ТЭН для уменьшения неравномерности сушки дает более заметные результаты при сушке капиллярно-пористых материалов.

7. Предложены способы оценки н получены простые аналитические зависимости для количественной оценки энергосберегающего эффекта при проведении активизирующих мероприятий, направленных на снижение неравномерности скорости сушки. Расчетным путем показано, что в установках такого типа (камерных сушильных установках периодического действия) применение электронагревателей для выравнивания неравномерности подводимого конвективного теплового потока может приводить не только к сокращению продолжительности процесса сушки, но и к экономии энергии.

8. Исследованы модельные варианты конструктивного исполнения сушильных камер периодического действия, установлены качественные и количественные закономерности изменения неравномерности профиля скорости сушильного агента в наиболее распространенных и оригинальных вариантах конструктивного оформления периодических сушилок. На основании результатов экспериментальных исследований полей скорости сушильного агента в фильтрационных сушильных установках периодического действия с различным подводом сушильного агента определены уровни неравномерности конвективного теплового потока и направления энергосбережения.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

г-влагосодсржалие сушильного агента, \у-влагосодержание сушимого материала, Р(и/)-обобщенная кривая скорости сушки, р-коэффициент массоотдачи, х-пространственная координата, ^временная координата, 0(х)-объемная плотность поглощения потока излучения, Н-толщина слоя материала, х-п°казатель кинетики сушки, ^степень неравномерности сушки, т -продолжительность процесса сушки, ю-паразитное удлинение времени сушки, ]-гиютностъ потока сушильного агента, и-скорость сушильного агент, Бе-коэффициент поглощения сухого твердого диэлектрика.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

I. Гаряев А.Б., Коновальцев С.И., Шаповалова Г.П. Энергосберегающая оптимизация плотности потока излучения при радиационной и смешанной сушке.//Новыс методы и средства экономии энергоресурсов и экологические проблемы энергетики: Тез. докл. Второй междун. конф. - М., 1995. - с.238-240.

* 2. Данилов О.Л., Коновальцев С.И., Маггымов Г., Шаповалова Г.П. Радиационный теплообмен в гелиосушнльных установках для растительного сыр|>я.//Тепломассообмсн в процессах сушки: Доклады Третьего междун.форума "Тепломассообмен - 96 Минск, 1996.-т.VIII. -с.214-217.

3. Данилов О.Л., Коновальцев С.И., Шаповалова Г.П. Энергосбережение в фильтрационных сушильных установках периодического действия.// Рациональные пути использования вторичных ресурсов АПК: Тез. докл. междун. науч. коиф. - Краснодар, 1997. - с. 174-176.

4. Коновальцев С.И., Шаповалова Г.П. Аналитический метод расчета оптических характеристик влажных материалов. М.-1996. - 9с.: Дел.в ВИНИТИ 14.01.97 № 106-В97.

5. Леончик Е.Б., Шаповалова Г.П. Моделирование конвективной сушки жома облепихи.//Молодыс ученые - пищевым и перерабатывающим отраслям АПК: Тез. докл. - М.,- 1997.- с.8.

Поч. л. ____Тираж /¿>0____Заказ % Ь'5

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.