автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Сокращение энергетических затрат сушки капиллярно-пористых материалов растительного происхождения за счет направленного подвода инфракрасного излучения

На правах рукописи

СОКРАЩЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗАТРАТ СУШКИ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЗА СЧЕТ НАПРАВЛЕННОГО ПОДВОДА ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность 05.20.01 — технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пенза-2014

11 СЕН 2014

005552424

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Пензенский государственный технологический университет» (ФГБОУ ВПО ПензГТУ)

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Курочкин Анатолий Алексеевич

Официальные оппоненты:

Курдюмов Владимир Иванович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия им. П.А. Столыпина», заведующий кафедрой «Безопасность жизнедеятельности и энергетика»

Каширин Дмитрий Евгеньевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический университет», заведующий кафедрой «Электроснабжение»

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет»

Защита состоится 17 октября 2014 г. в 13-00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.053.02 на базе ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» по адресу: 440014, г. Пенза, ул. Ботаническая 30, ауд. 1246.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» и на сайте http://pgsha.penza.net/.

Автореферат разославшей^ ¿>5? 2014г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Кухарев О.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Сушка относится к одной из основных операций тепловой обработки капиллярно-пористых материалов растительного происхождения, позволяющей обеспечить их длительное хранение, удобное транспортирование и получать из них порошкообразные натуральные обогатители, используемые, например, при выпечке хлебобулочных изделий функционального назначения.

В настоящее время в промышленных масштабах сушку материалов растительного происхождения преимущественно осуществляют перегретым паром, смесью горячего воздуха и топочных газов путем конвективного теплообмена в камерных, барабанных или в ленточных сушильных установках, которые относятся к энергоемкому оборудованию и характеризуются продолжительным временем высушивания.

Для повышения эффективности работы сушильных установок необходимо обосновать и оценить их теплофизические, режимные и конструктивные параметры с учетом физико-механических свойств высушиваемых материалов.

В связи с этим актуальным является сокращение энергетических затрат сушки с возможностью интенсификации процесса, что может быть обеспечено за счет использования более эффективных способов энергоподвода.

Актуальность темы подтверждена постановлением Правительства Российской Федерации № 861-р от 28.05.2013г. «Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности на основе возобновляемых источников энергии на период до 2020 года».

Степень разработанности темы. Решением проблем сушки материалов растительного происхождения и вопросами создания сушильных установок, использующих различные способы подвода тепла и виды теплоносителей, занимались многие отечественные и зарубежные ученые. Однако в известных работах недостаточно уделено внимания вопросам сокращения энергетических

затрат и времени сушки.

Известные сушильные установки имеют недостаточный индекс гибкости по видам обрабатываемого сырья, энергозатратны и не обеспечивают стабильность поддержания заданной температуры с высокой точностью.

Одним из энергоэффективных способов подвода тепла к высушиваемому продукту является применение направленного инфракрасного излучения, которое в отличие от других известных способов позволяет снизить энергопотребление и интенсифицировать тепломассообмен при сушке материалов растительного происхождения.

Сокращение энергетических затрат сушки требует проведения теоретических и экспериментальных исследований тепловых и массообменных процессов, проходящих в рабочих зонах сушильной установки при направленном излучении, что позволит на основе получаемых моделей и выявленных закономерностей создать рациональные и универсальные варианты конструкции данного оборудования в модульном исполнении.

Поэтому создание энергоэффективной технологии сушки растительных материалов с минимально возможными энергозатратами требует проведения дальнейших теоретических исследований и конструкторских разработок и вызвано практической необходимостью перерабатывающих отраслей АПК.

В

Работа выполнена по плану НИОКР ФГБОУ ВПО «ПензГТУ» в соответствии с темой «Разработка энергосберегающих технологий и устройств для тепловой обработки материалов растительного происхождения».

Цель работы. Сокращение энергетических затрат сушки капиллярно-пористых материалов растительного происхождения за счет направленного подвода инфракрасного излучения.

Задачи исследований:

1. Выполнить аналитические исследования процесса теплопереноса и движения влаги в обрабатываемых продуктах при инфракрасном энергоподводе.

2. Обосновать тип и определить параметры инфракрасных излучателей, их рациональное размещение относительно высушиваемого сырья и обосновать выбор конструкционных материалов рабочей зоны сушильной установки с позиций наилучшего взаимодействия с направленным инфракрасным излучением.

3. Разработать конструктивно-технологическую схему и изготовить экспериментальный образец универсальной секционной туннельной конвейерной сушильной установки в модульном исполнении для тепловой обработки растительных материалов при направленном инфракрасном излучении.

4. Провести экспериментальные исследования процесса сушки капиллярно-пористых материалов растительного происхождения в туннельной конвейерной сушильной установке и определить технико-экономическую эффективность от ее применения.

Объект исследований — процесс сушки капиллярно-пористых материалов растительного происхождения при направленном подводе инфракрасного излучения.

Предмет исследований - температурно-влажностные показатели сушки капиллярно-пористых материалов растительного происхождения, а также конструктивные, теплофизические и режимные параметры универсальной туннельной конвейерной сушильной установки с направленным подводом инфракрасного излучения.

Научную новизну представляют:

- аналитические зависимости условий движения влаги в высушиваемых капиллярно-пористых материалах растительного происхождения при наличии в них пустот и Шютных включений;

- математическая модель теплопереноса в высушиваемых капиллярно-пористых материалах при направленном подводе инфракрасного излучения;

- конструкция универсальной секционной туннельной конвейерной сушильной установки в модульном исполнении с направленным подводом инфракрасного излучения для сушки материалов растительного происхождения;

- рациональные по критерию энергосбережения конструктивные и режимные параметры туннельной конвейерной сушильной установки, обеспечивающие сокращение энергозатрат на сушку;

- показатели энергозатрат сушки капиллярно-пористых материалов растительного происхождения (на примере сушки тыквы, чернослива, кураги и березового гриба чаги).

Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты исследований послужили основой для создания экспериментального образца универсальной секционной туннельной конвейерной сушильной установки с направленным инфракрасным излучением, использование которой снижает

энергозатраты на сушку в 4,5 раза с 27 до 6 кВтч по сравнению с конвейерной сушилкой, оснащенной термоэлектронагревателями.

Разработана техническая документация и изготовлен экспериментальный образец универсальной секционной туннельной конвейерной сушильной установки в модульном исполнении с направленным инфракрасным излучением, пригодный как для сушки материалов растительного происхождения, так и выпечки мучных изделий.

Туннельная конвейерная сушилка используется в МИП ООО НТЦ ИнфотехАГРО (г. Пенза) для сушки плодоовощной продукции и выпечки мучных изделий.

Новизна технических решений подтверждена патентами РФ № 2327093 «Устройство для сушки материалов», №2430630 «Способ нагрева пищевых штучных полуфабрикатов, движущихся прямолинейно на конвейере», № 2457680 «Способ нагрева пищевых штучных полуфабрикатов на конвейере внутри туннельной печи», № 2465526 «Способ сушки сыпучих материалов в движущемся внутри вращающегося наклоненного цилиндра потоке».

Методология и методы исследования. Исследования проводились в соответствии с общепринятой научной методологией. Аналитические исследования выполнены с использованием законов термодинамики и теплотехники, с использованием дифференциального и интегрального исчисления, численных методов конечных разностей, конечных элементов и базисных вариаций, методов математического моделирования. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях методом сравнительных исследований на основе принятых методик и требований ГОСТ Р 51564-2000. Обработка результатов экспериментов осуществлялась с применением программных средств Microsoft Excel и MathCAD.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

1. Конструкция универсальной секционной туннельной конвейерной сушилки с направленным подводом инфракрасного излучения.

2. Теоретические зависимости условий движения влага в порах и капиллярах и условий теплопереноса при высушивании капиллярно-пористых материалов растительного происхождения за счет направленного подвода инфракрасного излучения.

3. Рациональные конструктивные и режимные параметры туннельной конвейерной сушилки с направленным подводом инфракрасного излучения.

4. Показатели энергозатрат на сушку капиллярно-пористых материалов растительного происхождения с направленным подводом инфракрасного излучения.

Степень достоверности и апробация работы. Степень достоверности полученных результатов обеспечена за счет аргументированного обоснования выводов, подтвержденных экспериментальными исследованиями в лабораторных и производственных условиях.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных международных научно-практических конференциях «Пищевая промышленность и агропромышленный комплекс: достижения, проблемы, перспективы», (Пенза, 2007-2013 гг.); на Всероссийских форумах «Российским инновациям - российский капитал», (Ижевск, 2010г.,

0ренбург,2011г.); межвузовских конференциях «Современные технологии и оборудование пищевых производств», (Пенза, 2009-2013 гг.).

Технические решения и результаты исследований демонстрировались на международных и межрегиональных выставках «Продмаркет» (2009 - 2013гг., Пенза); «ПензАГРО» (2010 - 201 Згг.); «Энергоэффективность и энергосбережение» (2011г., Пенза); Крокус-экспо (2011г., Москва); «Ресурсосбережение и экология» (2013г., Пенза); «Пензенская марка» (2010 - 2013гг.); «Национальная безопасность -2013», (ВВЦ, Москва); «Инновации и технологии» (2013г., Москва) и на конкурсе инновационных проектов УМНИК (2013г., Пенза).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, указанных в «Перечне ... ВАК» (две статьи опубликованы без соавторов), 1 монография, получено 4 патента. Общий объем опубликованных работ составляет 14,2 п.л., из которых автору принадлежит 3,04 п.л.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка литературы из 160 наименований и приложении на 37 с. Работа изложена на 144 е., содержит 36 рис. и 20 табл.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, научная новизна и практическая значимость выполненных исследований.

В первом разделе «Состояние технологии сушки капнллярно-порнстых материалов растительного происхождения» проведен анализ современного состояния техники и технологии сушки, дан аналитический обзор способов сушки материалов растительного происхождения, представлен анализ исследований и моделей тепломассопереноса при сушке пищевых материалов и влияния реологических свойств этих материалов на эффективность процесса удаления влаги.

Данная работа базируется на современных представлениях теории тепло - и массообмена, существенный вклад в развитие которой внесли отечественные ученые A.B. Лыков, A.C. Гинзбург, М.В. Кирпичев, С.С. Кутателадзе, В.В. Красников, М.А. Михеев, С.Г. Ильясов, Ю.М. Плаксин, В.Я. Черных, В.И. Курдюмов, А.П. Журавлев и др.

Установлено, что одним из основных направлений повышения эффективности сушки растительного сырья и сокращения энергетических затрат является использование в качестве источника энергии инфракрасного излучения.

На основании анализа литературной и патентной информации поставлена цель и сформулированы задачи исследований.

Во втором разделе «Аналитическое исследование процесса тепловой обработки пищевых материалов растительного происхождения» представлены результаты теоретического исследования процесса тепломассопереноса при сушке капиллярно-пористых материалов растительного происхождения на примере тыквы, кураги, чернослива и березового гриба чаги, используемых в качестве натуральных обогатителей при выпечке хлеба и хлебобулочных изделий.

Разработана модель движения влаги в капиллярах и порах при сушке капиллярно-пористых материалов при наличии в них пустот и плотных дислокаций.

Уравнение перемещения влаги в порах и капиллярах растительных материалов при нестационарных режимах сушки с учетом действующих сил

эг О)

где и - скорость перемещения влаги, м/с; г - время, с; а = & -

массовая сила (сила тяжести) жидкости, вектор которой направлен по оси г, Н; ; г -величина перемещения, м; g - ускорение свободного падения, м/с2; Р - плотность материала, кг/м3; = ШР)3™<1 V - сила гидродинамического давления,

возникающая из-за перепада температур, Н; р - давление, Па; Р - сила сопротивления движению влаги, Н; // - коэффициент вязкости, Н-с/м ; к —

коэффициент проницаемости продукта;

Граничные условия для материала правильной геометрической формы в

виде элементарного параллелепипеда:

- нормальная составляющая скорости вдоль опорной поверхности I высушиваемого продукта равна нулю ("„),.= О;

- тангенциальные составляющие скорости вдоль боковых поверхностей продукта Ц равны нулю, поскольку влага испаряется с боковых поверхностей тела по нормали к этим поверхностям, (и,),, =0, где количество поверхностей тела, кроме опорной;

- давление над опорной поверхностью продукта равно атмосферному, р = ра.

Комплексный потенциал течения влаги постоянной вязкости при установившемся потенциальном потоке в однородной среде с коэффициентом проницаемости к.

П = /(г) = ^, (2)

где П - потенциал течения влаги, м3/с; ¡(1) - функция перемещения влаги по

координате г; оа = ёга<1ср = - скорость перемещения влаги в

однородной среде, м/с.

Скорость потока влаги по известной формуле при наличии в высушиваемом материале пустот, значительно превышающих размер пор. вдвое больше, чем в порах, т.к. комплексные потенциалы течений в порах и в пустоте в виде сферы при коэффициенте проницаемости пустоты к2 соответственно равны

( к^к.г2^] 2/:^. (3)

1 \ к,+кг2) к,+к2

где г-радиус пустотной сферы, м.

Так как коэффициент проницаемости пустоты равен кг=<х>, то

соответственно значения О, будут равны:

О, =и,\2 + —) и О, =2у3Г. (4)

Величина удельной мощности источника инфракрасного излучения, используемого для подвода энергии, с учетом отражательной способности материала

—(1-Д)[1-ехр (—£„„■*)]. 15)

п

где £„ - плотность потока излучения, Вт/м2; - коэффициент отражения материала в ¡-ой области спектра излучателя; А - толщина материала, м; ^о.^ -коэффициент ослабления излучения; х — глубина проникновения излучения, м.

От нагреваемой излучением контактной поверхности вследствие теплопередачи высушиваемому образцу материала будет передаваться теплота, плотность потока которой будет постоянна и равна q (рис. 1).

Математическая модель теплопереноса в высушиваемых капиллярно-пористых материалах представлена следующими выражениями

а,(£1,/с1у2)-дЕ/рск = 0, 0 <у <у(6) а2 (с?12/ ¿у2) = 0, yi<y<h, (7)

где а,, а2 - коэффициенты температуропроводности по сечениям образца, м2 /с; р - плотность продукта, кг/м3; с - удельная теплоемкость, Дж/кг К; и -температура, К; е - доля влаги в виде пара; д - плотность теплового потока, Вт/м2; к - высота образца материала, м; у, - высота ¡-го сечения, м.

У

I

Я \ Конвейер

Рисунок I - Схема теплопередачи к высушиваемому образцу материала от конвейера сушильной установки

При заданных краевых условиях (у — 0, у = А, у = у:, 11(у1) = 12(у¡) = 1С) и (-Д; (Ж,(у^ /с!у) = - Д2(Ж2(у,) /4у) + це) температура в сечениях образца материала будет равна:

'/ = к +у2/2-(де/Х,у1) - [д(1 +е)у] /X,; (8)

Ь = 1к-[ду, (2+е)/2 X,) -[д (1-е) (у-у,)]/Х2,, (9)

где Д1, Х2 - коэффициенты теплопроводности, Вт/(м-К).

Уравнение теплопроводности при передаче теплоты от нагреваемой поверхности конвейера туннельной сушилки высушиваемому образцу тыквы, определенное численным методом конечных разностей с учетом того, что первая производная выражена конечной разностью

(10)

дт Дг Дг

где с0,1'0 - температура в данной точке и температура в той же точке через время Дг, может быть представлена в виде

/, + г2-2<0 _?0-10

(Н)

Ду а&т

Температура в искомой точке высушиваемого образца при

Х',-6'.

(Ддг)2

с;-».)

а Д г

координат х.д',г, равна

с учетом, что Д* = Ду = Дг, где Д*,Ду,Д2 - приращения

аАт

1<, + (%^><о

аДг

, где / = 1,...,6.

(12)

На рис.2 приведена схема определения расчетных значений температур в высушиваемом образце тыквы методом конечных разностей. При заданных температурах контактной и внешней поверхностях 80 и 40 С расчетные значения температуры в узловых точках аиЬ сечения 1-1 будуг равны соответственно 57,5 и 56,9°С, а в точках а2 и Ь2 сечения 2-2 соответственно 49,2 и 47,3 С.

I = 40Ч:

ь2

в ь

|>1

е=80ас

Рисунок 2 - Схема определения температуры в высушиваемом образце методом конечных разностей

В третьем разделе «Методика и результаты -экспериментальных исследований» приведена методика проведения экспериментальных исследований и представлены результаты определения теплофизических параметров источников направленного инфракрасного излучения; осуществлен выбор конкретных типов источников; представлены результаты исследований по выбору конструкционного материала для изготовления рабочей зоны туннельной сушилки; определена рациональная величина зазора между источниками излучения и нагреваемой поверхностью конвейера; определена величина прогибов ведущего вала привода конвейера туннельной сушилки; представлена разработанная конструкция туннельной установки.

За конструктивные параметры сушилки приняты:

- количество источников излучения;

- зазор между источником излучения и конвейером;

- рабочая ширина конвейера и длина секции;

- высота туннеля от конвейера до отражателя.

За режимные параметры сушилки приняты;

- скорость конвейера;

- установленная мощность источников излучения;

9

- диапазон задаваемых температур внутри туннеля.

За оценочные показатели энергозатрат в соответствии с ГОСТ Р 51380-99 приняты:

- абсолютное значение потребляемой мощности в зависимости от температуры сушки;

- удельная величина потребляемых энергетических ресурсов. Результаты анализа геометрических и энергетических параметров ламповых

источников инфракрасного излучения показали, что лампы ИКЗ-175, ИКЗ-250 и ИКЗ-500 обеспечивают направленное распределение светового потока и требуемую плотность излучения (табл.1, рис. 3).

Таблица I- Параметры инфракрасных зеркальных электроламп

Тип лампы Мощность лампы, Вт Диаметр колбы лампы, мм Площадь круга, соответствующая диаметру лампы, см2 Плотность излучения, Вт/см2

ИКЗ-500 500 134 141 3,49

ИКЗ-250 250 127 127 1,94

ИКЗ-175 175 112 98 1,77

а) 6) в)

Рисунок 3 -Диаграммы направленности светового распределения ламп: обычная лампа накаливания (а), лампы ИКЗ-175 и ИКЗ-250 (б), лампа ИКЗ-500 (в)

Выбор марки конструкционного материала для изготовления элементов рабочей зоны туннельной сушилки осуществляли с помощью измерительной установки, позволяющей получить тепловые характеристики исследуемых образцов конструкционных материалов (рис. 4).

б)

Рисунок 4 - Образцы конструкционных материалов (а) и лабораторная установка для исследования теплофизических характеристик материалов (б)

В качестве объектов исследований в экспериментах были выбраны следующие конструкционные листовые материалы:

- сталь Юкп ГОСТ 1050-88. толщиной 1, 2 и 3 мм;

- сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, толщиной 1, 2 и 3 мм;

- медь М4 ГОСТ 859-2001, толщиной 1, 2 и 3 мм;

- латунь Л59 ГОСТ 15527-70, толщиной 1, 2 и 3 мм; -чугун СЧ15 ГОСТ 1412-85, толщиной 5, 10 и 15 мм;.

- дюралюминий Д16 ГОСТ 4784-97, толщиной 2. 4 и 6 мм;

- сплав АМгЗ ГОСТ 4784-97, толщиной 3, 6 и 9 мм.

Методика проведения эксперимента:

- предварительный выбор подходящих для нагрева электроламп осуществлялся измерениями максимальной температуры стекла колбы ламп, по центру колбы, напротив спирали. Критерием выбора служила минимальная температура стекла колбы;

- выбор оптимального типа излучателя осуществлялся при нагреве образца из стали Юкп всеми поочередно включаемыми излучателями при рабочем зазоре между колбой лампы и образцом д„„ =15 мм в течение 15 мин. Критерием выбора служила интенсивность нагрева образца;

- выбор конструкционного материала осуществлялся при нагреве выбранным типом ИК излучателя при тех же условиях по величине максимально достигаемой температуры нагрева;

- определение затрат электроэнергии на нагрев при выбранном материале и излучателе осуществлялось при зазоре д„, =15.10 и 5 мм при изменении напряжения электропитания с помощью лабораторного трансформатора. Критерием выбора величины зазора служила потребляемая мощность источника излучения.

Условия проведения эксперимента:

- электрическое напряжение изменялось с интервалом в 20В, при этом одновременно измерялся фазный ток и определялась электрическая мощность;

- измерение осуществлялись в течение 30 минут до установившейся температуры;

- образцы выбранного материала различной толщины (сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72) проверялись дополнительно при зазоре Д„, = 15 мм.

Установлено, что наиболее эффективными ИК излучателями являются электролампы: ИКЗ-250 (прозрачное стекло, «ЛИСМА», г. Саранск); ИКЗ-250 (матированное стекло, г. Калашников) и ИКЗК-250 (красное стекло, «ЛИСМА»),

Результаты проведенного эксперимента по изучению интенсивности нагрева образцов' из различных марок конструкционных материалов ламповым излучателем показали, что листовая сталь марки 12Х18Н10Т имеет более крутую характеристику нагрева. Данная марка была выбрана для изготовления элементов

рабочей зоны туннельной сушилки.

На рис. 5 приведены графики изменения температуры образца, изготовленного из листовой стали 12Х18Н10Т, в зависимости от потребляемой мощности ламповым источником излучения типа ИКЗ-250 при различных зазорах

между источником и образцом.

Из рисунка видно, что для поддержания максимально допустимой рабочей температуры'в сушилке 110°С при зазоре в 15 мм необходимо затрачивать примерно 140 Вт; при зазоре 10 мм - 133 Вт, а при зазоре 5 мм - 128 Вт, что в 1,8. . 2 раза меньше номинальной мощности лампы.

Потребляемая мошность, Вт

Рисунок 5 - График изменения температуры образца из стали 12Х18Н10Т в зависимости от потребляемой мощности лампы ИКЗ-250 с прозрачным стеклом

при зазоре 15, 10 и 5 мм

При разработке конструкции туннельной сушилки исходили из требования повышения индекса гибкости по режимам тепловой обработки и виду продукции.

Использование направленного инфракрасного излучения, обеспечивающего нагрев от 60 до 350°С, и применение автоматического регулирования температуры рабочей зоны с точностью ± 1°С, позволило создать рациональную энергосберегающую конструкцию универсальной сушилки, которую можно использовать как для сушки растительного сырья, так и при необходимости для выпечки мучных изделий.

Сушилка содержит следующие элементы: -отражатель 1, выполненный из листовой стали 12Х18Н10Т. Радиус кривизны отражателя подобран таким образом, что его фокус / расположен ниже рабочей ветви 3 конвейера. Снаружи, отражатель покрыт теплоизоляцией толщиной 20 мм с температурной стойкостью 900 С;

- раму из уголков 2 размером 80x50 мм ГОСТ 8510-80, являющуюся опорой для отражателя 1. Соединение отражателя 1 с рамой 2 позволяет обеспечивать его вертикальное перемещение относительно рамы;

- ленту конвейера 3, изготовленную из материала с большой степенью пропускания энергии инфракрасного излучения и выдерживающего воздействие задаваемых температур. Для этих целей применена металлическая сетка из стали 12Х18Н10Ттолщиной 0,3-0,5 мм;

- инфракрасные зеркальные лампы 4, размещенные в поперечнике туннеля с одинаковым зазором 15 мм и с зазором 15 мм от ленты конвейера;

- шины 5 для электрически параллельного соединения ламп, разделенные диэлектрическими перегородками из стеклотекстолита ГОСТ 10292-74 толщиной 15 мм. Верхняя шина выполнена из квадратного листа дюралюминия Д16 ГОСТ 21631-76 толщиной 8 мм с резьбовыми (Е40) отверстиями под боковой контакт цоколей ламп, а нижняя шина - из листа дюралюминия Д16 толщиной 3 мм с коаксиальными канавками под нижний контакт цоколя. Верхние шины электрически подключены к фазам трёхфазного управляемого силового выхода регулятора «напряжение-температура», а нижние шины соединены с нейтралью того же выхода регулятора;

- диэлектрическое неподвижное основание 6 шин, выполненное из квадратного листа стеклотекстолита толщиной 10 мм.

Первичное направленное излучение исходит от ламп 4. Два ряда центральных ламп 4 создают излучение в направлении ведущей ветви 3 конвейера.

Излучение от крайних ламп 4 через зазоры между рамой 2 и ветвью 3 конвейера попадает на отражатель по дугам АБ и ВГ. При этом часть излучения отражается в направлении фокуса нагревая продукт сверху, другая часть поглощается материалом отражателя. При нагреве отражателя на дуге БВ эта поверхность также излучает тепло в направлении фокуса, дополнительно нагревая продукт.

Изменение температурного поля (усредненные значения по пяти измерениям, табл. 2) по высоте поперечного сечения туннеля при установке с помощью регулятора начальных температур 200 и 300 С.

Таблица 2- Распределение температур в поперечном сечении туннеля по его

высоте

Расположение точки измерения температуры по высоте туннеля, мм Заданная температура, °С

200 300

Точка 1 10 197 291

Точка 2 50 183 286

Точка 3 110 168 246

Точка 4 (на уроЕ ленты) 140 не конвейерной 156 232

В качестве привода ведущего барабана конвейера сушилки (рис. 7) использован мотор-редуктор модели МЦ2С-63 ГОСТ 183-74 с номинальной частотой вращения выходного вала 28 мин"1 и мощностью 2,2 кВт. Для управления частотой вращения выходного вала редуктора питание электродвигателя осуществляется посредством преобразователя частоты HYUNDAY серии К-150. Инфракрасные нагреватели (три группы излучателей по шестнадцать ламп ИКЗ-500 соответственно количеству фаз) размещены на вертикальных подвесках под рамой остова. На горизонтальных полках подвесок закреплены диэлектрические основания шин. Каждая группа пофазно подключена к управляемому силовому выходу авторегулятора «напряжение-температура». С управляемым входом регулятора соединен датчик температуры.

; ыл< -

/| . _ _ -----

~УУ- - rsrsrsrs Г\ _н

ju: А / 'у\ А 7

«>- - 1

' Х - 6 "1 ]■'■ \

/ - остов; 2 - ведущий барабан; 3 - ведомый барабан; 4 - мотор-редуктор: 5 - подвеска; б - преобразователь частоты Рисунок 7 - Продольная компоновка туннельной сушилки

Общий

1 — конвейер; 2 - шторка; 3 - блок авторегулятора температуры; 4 - туннель с теплоизоляцией; 5 - цифровой мультиметр; 6 - подставка Рисунок 8- Общий вид туннельной сушилки

Поскольку величина прогиба ведущего вала конвейера туннельной сушилки может оказать влияние на скорость конвейера и положение слоя высушиваемого материала относительно излучателей и. следовательно, на параметры сушки с помощью численных методов определены расчетные значения деформации вала конвейера при максимальной его загрузке и рабочей ширине.

Известное уравнение изогнутой оси вала переменной жесткости имеет вид

вид туннельной сушилки показан на рис. 8.

.-„,«. с»

где E - модуль упругости материала, МПа; 1 - момент инерции, м кг; Q - осевая сила, Н; Л/д-fz/ - суммарный внутренний изгибающий момент от действия радиальных и осевых сил, Л/,(г)= A//(z)+ A//(z), Л/Дг) = g-v(r), Нм; vfzj -величина прогиба вала длиной z, м.

Тогда + (14)

Изгибная жесткость отдельных участков вала сушилки

Ш^Е^Лу (15)

где /¡, = zit[ - z- длина i-ro участка вала, м.

Для решения уравнения (15) были использованы методы конечных разностей, конечных элементов и базисных вариаций, позволяющие не только найти значения прогибов вала в узловых точках, но и сравнить погрешности этих методов. При h = const

4 E^^^iElX^-v.hFJM-^b (16)

dz\ dz ) ft" где v; - величина прогиба вала в i -й узловой точке, м.

В этом случае линейный аналог данной краевой задачи по методу конечных разностей для узлов:

(El, • v, - (£/, + £/>2 + £!г ■ v,)+ 0*г = У<е* 2 (П)

v, = 0 узел 1

J_

h1

-^(E12v2(EI2 + + El, -vj+0v., = -М' У^ел 3

v4 = 0 узел 4

Изгибная жесткость участков вала сушилки

(18)

Расчеты показывают, что величина деформации в узловых точках 2 и 3 вала составляет всего 0,0002 и 0,0006 м соответственно.

При вычислении локальной матрицы жесткости ¡-го конечного элемента вала методом конечных элементов величина его изгибиой жесткости Е1, принята

постоянной по длине элемента.

Локальная матрица жесткости ¡-го конечного элемента, определенная

методом конечных элементов

= (.9)

При граничных условиях ,(-" = о)= 0; , (, = /)= о расчетная величина

деформации вала туннельной сушилки, определенная данным методом, составила

соответственно 0,0002 и 0,00066 м.

Дифференциальное уравнение деформации вала конвейера туннельной

сушилки в операторном виде

где L - оператор, L = — El{z)—+О.

dz dz

Конечно-разностный аналог формулировки краевой задачи, вычисленный методом базисных вариаций, при Л = const

---f (¿4 = —М, при 1 < i < N,

v. =0, (21)

v„=0.

При решении системы линейных уравнений для узловых точек a^v, + J,2v2 + 5]3v3 + 5I4v4 = ij

a2,v, + a22v2 + 223v3 + a24v4 = ?2 ^2)

aJtv, + a32v2 + a„v3 + afMv4 = 63

a41v, + 542v2 + 243v3 + a?44v4 = b,

при коэффициентах Ssk b,: at] = b^k^-M*), где Л//"- значения

изгибающих моментов, вызванных поперечными силами, действующими на вал в узловых сечениях (i = 1,...,4), расчетная величина прогибов вала составила соответственно 0,0001 и 0,0006 м.

Результаты расчета свидетельствуют, что при заданных конструктивных размерах вал обеспечивает необходимую изгибную жесткость, так как величина прогибов в узловых точках, вычисленная методами конечных разностей, конечных элементов и базисных вариаций, незначительна и практически одинакова.

В четвертом разделе «Экспериментальные исследования процесса сушки материалов растительного происхождения и анализ полученных результатов» приведены результаты тестирования изготовленного экспериментального образца туннельной конвейерной сушилки и исследований сушки капиллярно-пористых материалов.

Тестирование экспериментального образца туннельной сушилки показало, что^ изменение температур внутри туннеля носит линейный характер вплоть до 275 С. Погрешность поддержания заданной температуры не превышает 2% при температурах выше 200°С и 1 % при температурах ниже 200°С.

Энергозатраты на поддержание задаваемых температур незначительны по сравнению с номинальной мощностью инфракрасных нагревателей, равной 24 кВт. Для достижения максимальной рабочей температуры, равной 350°С, энергозатраты составили 6 кВт-ч, а на поддержание этой температуры - 3,12 кВт-ч. Поэтому автоматический регулятор после достижения этой температуры снижал напряжение питания нагревателя в каждой фазе с 220В до 55В, что позволяет значительно узеличить долговечность спиралей электроламп. Время на разогрев туннеля до температуры 350°С составило 8 мин, тогда как на конвейерной сушилке, оснащенной термоэлектронагревателями, это время составляет 40 мин, а энергозатраты равны 32 кВтч.

Для сушки использовались следующие материалы: тыква, курага, чернослив, березовый гриб чага. Из этих материалов наибольшее влагосодержание имеет тыква. После мойки материал разрезали на отдельные кусочки и подвергали сушке, затем высушенный материал измельчали на диспергаторе модели VM7-268 (Чехословакия) в тонкоизмельченный порошок для использования в качестве обогатителей.

Теплофизические показатели тыквы:

— удельная теплоемкость с = 3480 Дж/ кг- С;

- плотность р= 1100 кг/м3;

— теплопроводность Я = 6,110"3 Вт/см- С; -температуропроводность а =1,55-10" см/с;

- влажность 80%.

При скорости конвейера 0,0084 м/с время движения слоя пластинок тыквы массой 30 кг по конвейеру составляет 60 мин, поэтому для получения конечной влажности 18% процесс вели при температуре сушки 50°С в течение 180 минут. При этом потребляемая нагревателями мощность на поддержание данной температуры в течение всего времени сушки составила менее 2,25 кВт ч, при этом удельная величина энергозатрат равна 0,225 кВт-ч/кг.

Для определения функциональной зависимости между влажностью (IV)

высушиваемого материала и временем сушки С) использовался метод наименьших квадратов, с помощью которого функциональные зависимости представлялись в виде полинома:

1 образец W = 8,1 • 10"'-1,7 • 10"3 ■ г - 3,5 • 10"5-г2 + 1,8 • 10"7 • г3 - 2,4 • 10"!° т";

2 образец W = 7,8-10-' - 2,2 -Ю'3 т - 5,0 10"6 -г2 + 4,4 10-г5 - 1,0 -Ю-'0 т4;

3 образец W = 8,0 ■ 10"' - 4,8 ■ 10"3 • г + 4,5 • 10"5 • г2 - 2,7 -10"7 • г3 + 5,6 -Ю"'0 • г4;

4 образец IV = 8,6 • 10"' - 6,4 ■ 10"' • г + 3,0 ■ 10"5 • г2 - 1,5 • 10 "7 -г3 + 3,5-Ю-'0 -г4.

Скорость сушки находилась дифференцированием приведенных зависимостей d\V Idr = с. + 2c2t + ... + nc,t"'1, где с, - коэффициенты при r- 1 < ¡ S п.

1 образец diV / ¿г = -1,7 -10"' - 7,0 - Ю-5 - г + 5,6 -10"7 г2 -9,7 -10"'° - г3;

2 образец dW Idr = -2,2-10"' -10,1 -10"6 - г +13,4-Ю'8-т2 - 4,0-Ю"'0-г3; Зобразец dW Idr = -4,8 • 10"' + 9,0 Ю"5 ■ г - 8,2 • IO"7 ■ г2 + 22,5-lO'10 -г3; 4 образец dW Idr = -6,4 • 10"3 + 6,1 IO"5 -r - 4,5 -10"7 • r2 +14,3 • 10"'° ■ r3. Проведенные исследования показали, что созданный экспериментальный

образец туннельной конвейерной сушилки с направленным подводом излучения при заданных настройках привода и регулятора температуры способен обеспечить качественную и энергосберегающую сушку капиллярно-пористых растительных материалов.

В пятом разделе «Оценка экономической эффективности туннельной конвейерной сушилки и производства высушенных натуральных обогатителен растительного происхождения» дана оценка себестоимости изготовления туннельной сушилки и приведены технико-экономические показатели производства высушенных полуфабрикатов.

Результаты оценки экономической эффективности применения туннельной сушилки свидетельствуют о том, что ее использование обеспечивает рентабельность производства на уровне 35% и получение предприятием прибыли в размере 672,6 тыс. руб.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ отечественных и зарубежных технологий сушки растительного сырья показал, что основным теплоносителем для сушки является пар и газы. Недостатком данных теплоносителей является большие энергозатраты, обусловленные низким КПД теплообмена. Анализ информации в области

тепловой обработки растительного сырья позволил сделать обоснованный вывод, что одним из перспективных направлений, с позиций энергосбережения, является использование в качестве теплоносителя энергии направленного электромагнитного излучения в инфракрасном диапазоне.

2. Установлены зависимости движения влаги в порах и капиллярах, в т. ч. при наличии в порах пустот и плотных включений, с учетом градиента давления, возникающего при разности температур на поверхности высушиваемого материала, сил сопротивления и тяжести. С помощью проведенных теоретических исследований процесса теплообмена определены параметры изменения теплового поля в исследуемом образце капиллярно-пористого растительного материала при направленном инфракрасном подводе энергии.

3. Осуществлен выбор типа нагревателей - зеркальных ламп ИКЗ 175, ИКЗ-250 и ИКЗ-500, обеспечивающих направленное излучение, проведен выбор конструкционного материала (легированная сталь марки 12Х18Н10Т) для изготовления элементов рабочей зоны сушильной установки, обеспечивающий наилучшее взаимодействие с инфракрасным излучением. Определена величина рабочего зазора между источниками излучения и нагреваемой поверхностью конвейера сушильной установки, равная 15 мм.

4. Разработан и изготовлен экспериментальный образец универсальной туннельной конвейерной сушильной установки с направленным подводом излучения и автоматическим регулированием заданной температуры нагрева.

В результате тестирования экспериментального образца туннельной конвейерной сушилки установлено, что погрешность поддержания задаваемой температуры регулятором «температура-напряжение» не превышает ±1°С при 50-100°С и ± 1,5-2°С при 180-350°С; погрешность изменения скорости конвейера не превышает 3,8% при изменении частоты электротока от 1 до 10 Гц.

Время на разогрев туннеля до максимальной рабочей температуры 350°С составило 8 мин при расходе электроэнергии 6 кВт-ч, тогда как на известной конвейерной сушилке, оснащенной термоэлектронагревателями, это время составляет 40 мин и для этого требуется затратить 32 кВт-ч.

Энергозатраты на поддержание максимальной рабочей температуры 350°С составляет в экспериментальном образце туннельной сушилки после ее разогрева 3,12 кВт-ч.

В результате экспериментальных исследований сушки слоя тыквы установлено, что туннельная сушилка обеспечивает при начальной влажности продукта 80% за время сушки 180 мин при температуре 50°С конечную влажность 18%. При этом удельные энергозатраты на поддержание данной температуры составляет не более 0,225 кВтч/кг. Наибольшую долю затрат при сушке слоя тыквы составляют энергозатраты на нагрев материала - 33,6%, и на испарение влаги - 65,8%. Энергозатраты на нагрев конвейера и потери в окружающую среду и с уходящим воздухом незначительны и составляет 0,6%.

5. Экономические расчеты подтверждают эффективность использования созданной сушильной установки для сушки материалов растительного происхождения. Рентабельность производства при использовании туннельной сушилки при сушке капиллярно-пористых материалов растительного происхождения составляет 35% и ее применение способно обеспечить получение прибыли предприятием в размере 672.6 тыс. руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК при Минобрнауки РФ

1. Авроров, Г.В. О перемещении влаги в коллоидных капиллярно-пористых пищевых продуктах при их высушивании / Г.В.Авроров // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего. - 2013. - № 06(10). - С. 27-32.

2. Авроров, Г.В. О решении уравнения теплопроводности методом конечных разностей при высушивании капиллярно-пористых пищевых продуктов /Г.В.Авроров // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего. - 2013. - № 06(10).-С. 32-38.

3. Чамин, А.Ф. Имитационное моделирование процесса сушки тыквы / А.Ф. Чамин, В.Н. Гусева, Г.В. Авроров. // XXI век: итога прошлого и проблемы настоящего. -2013.-№ 06(10). -С. 38-46.

Монография

4. Авроров, Г.В. Моделирование и анализ операций обработки сырья и полуфабрикатов для мучных кондитерских изделий / Г.В. Авроров, В.В. Ловцева, В.А. Авроров, Н.Д. Тутов - Старый Оскол: ТНТ. - 2013. - 222с.

Патенты на изобретения

5. Пат. № 2327093, Российская Федерация. МПК F26811/02. Устройство для сушки материалов / В.А. Авроров, Г.В. Авроров, А.Ф.Чамин, Н.В. Моряхина, О.Д Куканова. -№2006134095; Заяв. 25.09.2006; Опубл. 20.06.2008.

6. Пат. № 2430630, Российская федерация. МПК F26B3/30. Способ нагрева пищевых штучных полуфабрикатов, движущихся прямолинейно на конвейере / Г В Авроров, Ю.С.Почивалов, В.А.Авроров, Г.Д.Лузгин, Н.В.Гуреев, А.В.Воробьев, А.И.Хамзин. -№ 2010127906; Заяв. 06.07.2010; Опубл. 10.10.2011.

7. Пат. № 2457680, Российская Федерация. МПК А21В1/48. Способ нагрева пищевых штучных полуфабрикатов на конвейере внутри туннельной печи / В.А. Авроров, В.Б.Моисеев, Ю.С. Почивалов, Г.Д.Лузгин, Г.В.Авроров. -№2010138252; Заяв. 15.09.2010; Опубл. 10.08.2012.

8. Пат. № 2465526, Российская Федерация. МПК F26B3/30. Способ сушки материалов в движущемся внутри вращающего цилиндра потоке / Г.В.Авроров С.Р.Мкртчян, А.К.Лаврин, В.А.Авроров, Г.Д.Лузгин, Е.В.Вострокнутов. -№2010122989; Заяв. 04.06.2010; Опубл. 27.10.2012.

Публикации в сборниках научных трудов и материалах конференций

9. Авроров, Г.В. Анализ условий движения влаги под действием теплового потока при высушивании капиллярно-пористых пищевых продуктов / Г.В.Авроров, О.Д. Куканова // Вестник ДИТУД. - Димитровград: - 2007. - №4 (34). - С. 19-22.

10. Чамин, А.Ф. Моделирование процесса сушки / А.Ф.Чамин, Г.В.Авроров, В.Н. Гусева // Пищевая промышленность и агропромышленный комплекс: достижения, проблемы, перспективы: материалы III междунар. научно-практ. конф. - Пенза: Изд. ПДЗ. - 2009. - С. 118-123.

11 Чамин А Ф Моделирование процесса сушки капиллярно-пористых продуктов на примере тыквы / А.Ф.Чамин, В.Н.Гусева, Г.В.Авроров // Пищевая промышленность и агропромышленный комплекс: достижения, проблемы,

перспективы: материалы V междунар. научно-практ. конф. — Пенза: Изд. ПДЗ. -

2011.-С. 28-33.

12. Авроров, Г.В. Поточная линия производства сушеной тыквы / Г.В.Авроров, В.Н.Гусева // Пищевая промышленность и агропромышленный комплекс: достижения, проблемы, перспективы: материалы V междунар. научно-практ. конф. - Пенза: Изд. ПДЗ. - 2011. - С. 48-50.

13. Авроров, Г.В. Сравнительные исследования конвективного и лучистого нагрева при сушке твердых материалов / Г.В.Авроров, Е.А.Жистин // Пищевая промышленность и агропромышленный комплекс: достижения, проблемы, перспективы: материалы VI междунар. научно-практ. конф. - Пенза: Изд. ПДЗ. -

2012.-С. 37-41.

14. Авроров, В.А. Выбор оптимального источника инфракрасного излучения в ближней инфракрасной области / В.А.Авроров, Г.Д.Лузгин, Г.В.Авроров, А.В.Зайцев // Пищевая промышленность и агропромышленный комплекс: достижения, проблемы, перспективы: материалы VII междунар. научно-практ. конф. - Пенза: Изд. ПДЗ. -2013.-С.9-12.

15. Авроров, Г.В. Об использовании натуральных обогатителей при производстве формового ржано-пшеничного и пшеничного хлеба / Г.В.Авроров, Н.С.Елисеева, Е.В.Таранцова, В.В.Ловцева // Пищевая промышленность и агропромышленный комплекс: достижения, проблемы, перспективы: материалы VII междунар. научно-практ. конф. - Пенза: Изд. ПДЗ - 2013. - С. 15-18.

16. Авроров, Г.В. О новых разработках в области создания продуктов питания функционального назначения / Г.В.Авроров, Н.С.Елисеева, Е.В.Таранцова, В.В. Ловцева // Пищевая промышленность и агропромышленный комплекс: достижения, проблемы, перспективы: материалы VII междунар. научно-практ. конф.-Пенза: Изд. ПДЗ. -2013.-С. 18-20.

Подписано в печать 30.07.14. Объем 1,0 усл. пл. Тираж 100 экз.

Заказ № 120.__

Отпечатано с готового оригинал-макета в мини-типографии. Свидетельство № 5551. 440600, г. Пенза, ул. Московская, 74.