автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Совершенствование низкотемпературной сушильной установки на основе термотрансформатора

правах рукописи

15 АЛ ЯМ

ГОРДИЕНКО Юрнй Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СУШИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРА

05.04.03 - Машины и аппараты холодильной и криогенной техники и систем кондиционирования

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание уяеяой степени кандидата технических наук

Краснодар - 2000

Работа выполнена в Кубанском государственном технологическом университете.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор, заслуж. деятель науки РФ,

о

Шляховецкий В.М.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Ведущая организация - общество с ограниченной ответственностью «Окара», Краснодарский край, Каневской район.

Защита состоится 28 апреля 2000 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 063.40.04 Кубанского государственного технологического университета (350072, Краснодар, ул. Московская, 2. ауд. А-229).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Отзывы на автореферат, заверенные печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета. Автореферат разослан марта 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

Марин юк Б.Т.;

кандидат технических наук, ст. науч. сотр., Овчарова Г.П.

кандидат технических наук, доцент

А.В. Пунтус

КМЧ . ц Я Я-.54-04 .О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Сушка пищевых продуктов играет существенную роль в сельском хозяйстве и отраслях пищевой промышленности, учитывая влияние сушки на качество высушиваемого продукта я уровень энергозатрат (до 70% всех энергозатрат приходится на обработку продуктов).

Низкотемпературная сушка (НТС) в кондиционированном воздухе с температурой и влагосодержанием меньшими, чем температура и юшосодержание окружающей среды, является новым направлением в .технологии сушки пишевых продуктов. Значительный вклад в ее развитие внесли В.М. Бражгогкоа, A.A. Гого-лии, Р.И. Шаззо, В.М. Шляховешшй, Ю.С. Беззаботов, Стефан П." Дичев и др.

При НТС требуемые параметры гоздуха (температура г и алагосодержаяне d) доводятся до необходимых значений при его обработке в испарителе и конденсаторе холодильной машины, работающей в режиме теплового насоса - термотрансформатора (ТТР). НТС обеспечивает сохранение высокого качества высушенного продукта, а использование в процессе кондиционирования воздуха компрессионных ТТР позволяет утилизировать теплоту термотрансформации и использовать холодильный потенциал для осушки воздуха от влаги перед подачей в сушильную камеру.

Те,'.га диссертационной работы соответствует тематическому плану комплексных научно-исследовательских paöcrr Кубанского государственного техколо-гического университета, финансируемых Минвузом РФ по единому заказ-наряду и входит в комплексную тему № 2:13.000 — «Разработка прогрессивных материалов, процессов и систем, ресурсосберегающих и экологически безопасных .технологий с использованием вторичных энергоресурсоз». ' .

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является совершенствование низкотемпературной сушильной установки с тсрмотрансформа-тором на основе теоретического и экспернмектзльнсгв псспгаодония процессов низкотемпературной сушки с применением термотрзнсформатора, используя «кипящий» слой предварительно нагретых частиц инертного материала, являют:? ;сз аккумулятором тепла, при нанесении на него вязких и пастообразных пяштеых продуктов. В соответствии с поставленной целью решачись следующие задачи:

- теоретическое исследование процессов однонаправленного тепло- н аталопгре-носа в частице инерга с внешним высушиваемым слоем;

- построение физической и математической моделей процесса сушки, опксы-паюших принятую расчетную схему;

- проведение численных экспериментов и их гшализ;

- проведение экспериментальных исследований низкотемпературной сушки с применением ТТР с целью проверки адекватности математической модели;

- оценка энергетической и технологической эффективности разработанного способа сушки; -

- технико-экономическая оценка выбора эффективного вещества в качестве инерга;

- разработка нового способа низкотемпературной сушки и на его основе - промышленной низкотемпературной сушильной установки на базе термотрансформатора. . . _

Научная под» пня. Проведено теоретическое исследование процессов однонаправленных тепло-влггообмена н тепяо-влагопереноса, разработана математическая модель физических процессов однонаправленного тепло-влагопереноса, происходящего при НТС вжких пищевых продуктов на предварительно нагретой частице инертного материала. Проведенными числящими и эхспер51мсшальными исследованиями процессов НТС белков сои водной экстракции подтверждена справедливость исходной гипотезы, получены уравнения зависимостей кинетики сушки, произведены анализы основных показателей качества высушенного продукта. Теоретически и экспериментально обоснована целесообразность предварительного подогрева частиц инерга, произведена оценка его энергетической эффективности, найдены оптимальные параметры проведения процесса НТС.

Научная новнша подтверздается патентом РФ № 2124683 1999 г. на способ низкотемпературной сушки.

Практическая теягность г<абопл н ргалшааяя результатов. Разработана модель процесса низкотемпературной сушки, которая программно реализована на алгоритмическом языке Turbo Pascal 7.0 и позволяет рассчитать основные технологические параметры проведения процесса НТС с применением ТТР.

Показано, что использование .предварительно нагретых частиц ннерта понижает энергетическую эффективность сушильной установки иг 10=-15%.

На основе разработанного способа и реализующей этот способ схемы низкотемпературной сушильной установки (НТСУ) (патент РФ №2124683) быта разработана инженерная методика расчета и проектирования НТСУ на основе ТТР, которая передана в Краснодарский гаучно-исспедопательский институт хранения и переработки сельскохозяйственной продукции н использована при разработке проекта опытно-промьпнлешой НТСУ производительностью 100 кг/ч по влажному продукту. Ожидаемый годовой экономический эффект составляет 52 тыс. руб.

Показатели качества высушенного продукта белка сои водной экстракции, полученные при проведении эксперименталыых исследований, превосходят эталонные, и лежат в области, нормируемой ТУ182/26-78 - Белок соевый пищевой, технические условия.

Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе при проведении курсового и дипломного проектирования по специальности 07.02 -Техника и физика низких температур на кафедре холодильных и компрессорных машин и установок Кубанского государственного технологического университета. Осноппые положения днссертадпп.выяосимые на зяздиту:

- математическая модель процессов однонаправленного тепло-влагопереноса, подтвердившая гипотезу;

- полученные экспериментальные данные по проведению НТС на основе ТТР в условиях однонаправленного тепло-влагопереноса;

- методика определен™ условий проведения НТС и режимных характеристик работы ТТР;

- принцишшьно новые способ и установка НТСУ с ТТР.

Аппобяппя работы. Основные положения, изложенные в работе, докладывались на международной научно-технической конференции «Холод и пищевые производства» (Санкт-Петербург, 1996 г.), на международной научно-технической конференции, посвященной 65-летню МГАПП «Пищевая промышленность России на пороге XXI века» (Москва, 1996 г.), на международной научной конференции «Рациональные пути использования вторичных ресурсов агропромышленного ком-апекса» (Краснодар, 1997 г.), на международной научно-технической конференция «Техника и технологии пнщееых производств» (Могилев, 1998 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 работ,-в том числе 1 патент Российской Федерации.

Структура я объем работы. Диссертационная работа состоит из введения^ 4 глав, заключения, списка использованной литературы и 3 приложений. Работа изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков, .11 таблиц. Список использованной литературы включает 66 наименования. Приложения к диссертации представлены на 14 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введепии обоснована актуальности темы, сформулированы основные направления проведения исследований.

В первой главе проведен обзор и обобщен накопленный опыт по извеспгым способам НТС, при которых наблюдается противоположное направление потеков тепла и влаги (рисунок 1 -а), и рассмотрены конструкции известных НТСУ на основе ТТР. Рассмотрена гипотеза проф. В.М. Шляховецкого, согласно которой однонаправленные потоки тепла и влаги ускоряют сушку, сокращая при этом энергозатраты, и предложена новая расчетная схема НТС (рисунок 1-6). На основании проведенного анализа сформулированы задачи исследования.

ОчАСТ = О

ОНАСГ >0

1 - частица даерта; 2 - слой продукта Рисунок: 1 - Традиционная, по Лыкову (а) и разработанная (б) расчетные схема НТС

Во второй главе рассмотрены теоретические положения по организации однонаправленного тепло-влагопереноса в частице инерта с внешним высушиваемым слоем, разработаны физическая и математическая модели процесса НТС по предложенной расчетной схеме, описана методика численного решения, проведены численные эксперименты и произведен их анатиз.

Рассматривается такая организация процесса, при которой сферические частицы инерта подогревают, после чего на них наносится тонкий слой вязкого пищевого продукта и частицы с продуктом продуваются потоком холодного кондиционированного воздуха. При такой организации процесса сушки (рисунок 2) протекают одновременно тепло-, хладо-' и барометрический обмены, обуславливающие перенос влаги из слоя продукта в кондиционированный воздух..

Для принятой принципиальной схемы модели, вводятся следующие

Рисунок 2 - Принципиальная схема Допущения: участвующая в процессе организации процесса тепло-влагообмена

(£>- сопй

сушки частица - сферической формы; радиуса инертна к наносимому продукту; негигроскопична; имеет плотную наружную поверхность; не содержит газовых включений и обладает максимально возможной теплоаккумулирующей способностью <2<ист, слой продукта толщиной 6СЛ характеризуется капиллярно-пористым строением, с открытой структурой пор; предусматривается равномерный отвод паров с поверхности сферы'в кондиционированный воздух, параметры которого поддерживаются постоянными в течений всего процесса сушки. Частица аккумулирует количество теплоты (2ч,ег и характеризуется температурным потенциалом А7'м- = Та - Тс. .

Для решения описанной выше задачи составлена система дифференциальных уравнений. .

Теплоперенос от сферической частицы к слою продукта рассматривался при граничном условии четвертого рода.

Для одномерного нестационарного температурного поля в шаре дифференциальное уравнение теплопроводности в сферических координатах имеет вид С дт,т) _ . (д'т^т) 2 ¿ткя.г))

: ОйЯй!^ при начальных условиях

при т = 0, Т,(Цт)~То~Т0= сош1, (2)

и граничных условиях .

''«З^й^-.л-Ч./«

(4)

где Т^Я, т) - температурное поле частицы инерта, К;

Т2(Е, т) - температурное поле продукта, К.

Условие симметрии для центра симметрии частицы инерта

' •• »

Применительно к тепловлагопереносу в слое продукта происходящие процессы рассмотрены при граничных условиях третьего рода - для внешней поверхности продукта, и четвертого рода - для внутренней поверхности слоя продукта.

• Для рассматриваемой модели система дифференциальных уравнений теп-ло-влагопереноса в сферических координатах принимает вид

dU(R,r)

]d4f(R,z) 2 ayWr)V (d%(R,r) | 2 .6T2{R,t) ( df? R 5R J ' [ dR2 R dR

(6)

u (7)

H ffi1 Л 5Л J с S;

дт

ЭТ,(Яг) St

r;<r<r2

при начальных условиях:

при г= О, U(R, т)= Uo= йц— const, (8)

Т2(Ят) = Т0=Те= const, , (9)

и граничных условиях:

l dR

(10) (И)

\ 1/11 /к-л,

где и (Я т) -поле влагосодержания продукта, кг/кг.

Средние значения температуры Т и влагосодержания и в слое продукта в общем виде определятся как

(12)

а для анализируемой модели в сферических координатах:

0 Л,-Я, Д 2 I Я,

По мере удаления жидкости из слоя продукта в процессе сушки, его размеры и объем уменьшаются. Это обуславливает изменение радиуса частицы со слоем продукта, в виде соотношения

А-л

Таким образом, в процессе испарения влаги наружный радиус Яз непрерывно уменьшается. Это явление учитывалось при решении систем дифференциальных уравнений с граничными условиями. • Так как коэффициенты влаго- и теплопереноса, и все термодинамические характеристики зависят от влагосодержания и температуры, то систему дифференциальных уравнений тепло-влагопереноса невозможно в принципе представить в форме аналитического решения в общем виде, и ее можно решить численно для конкретных начальных и граничных условий. Решением системы определяются поля температур Г/Я, т), Т2(Я г) и влагосодержаний Ь'(К, г), в процессе сушки, и, затем - продолжительность сушки тс.

По разработанной математической модели была составлена блок-схема расчета процесса сушки, которая была программно реализована на ЭВМ типа IBM с применением алгоритмического языка Turbo Pascal 7.0. Для решения системы дифференциальных уравнений тепло- и влагопереноса параболического типа с соответствующими начальными и граничными условиями был использован метод конечных разностей (метод сеток). . , '

С использованием разработанной программы, были произведены численные эксперименты по исследованию кинетики сушки, приняв в качестве высушиваемого вещества белки сои водной экстракции, обеспечивающие получение сухого соевого концентрата, путем нанесения тонкой пленки белков сои на предварительно нагретые шарообразные частицы инерта. Для численных экспериментов были приняты исходные данные, отражавшие реальные технологические условия сушки: материал шарообразных, частиц инерта - фторопласт, диаметр частиц инерта Е>ч = 6 мм; начальное влагосодержание продукта Uo = 3 кг/кг, конечное влагосодержание продукта UK — 0,064 кг/кг; толщина наносимого слоя продукта на частицу инерта Sai= 0,2 мм; общая масса наносимого продукта за один цикл т„р = 80 г (в том числе: масса абсолютно сухого продукта т^ = 20 г, масса воды ты = 60 г); начальная температура наносимого продукта tn0p = 24 °С; начальная температура частицы инерта t0 = 30, 50, 70, 90 °С; температура воздуха на входе в камеру сушки tc — 30,40, 50, 70 °С; скорость воздуха в камере сушки при полном поперечном сечении камеры со — 4, 6, 8 м/с; относительная влажность воздуха на входе в камеру сушки tpc = 10,30,50,70 %.

На рисунке 3 показано влияние на кинетику низкотемпературной сушки начальной температуры подогрева частиц инерта to- Анализ полученных зависимостей позволил установить характер влияния температурного потенциала Тцкг ~ Тс на кинетику сушки:.

.) ^ б)

1 - to = 30 "С; 2 - to = 50 °С; 3 - to = 70 °С; 4 - to == 90 °С;

Рисунок 3 - Влияние температуры подогрева частицы инерта на влагосодержание (а) и температуру (б) продукта

- увеличение температурного потенциала ДТм вызывает сокращение времени сушки г (рисунок 3), так при этом если частица инерта характеризуется значением Л7Ж = 60 °С, то время сушки г сокращается на 14,5 %.

На рисунке 4 показано влияние на кинетику низкотемпературной сушки температуры кондиционированного воздуха на входе в камеру сушки 1С- Анализ полученных зависимостей позволил установить, что:

- температура кондиционированного воздуха на входе !с существенно влияет на время сушки, причем зависимость не линейнЪя; с дальнейшим повышением температуры 1С время сушки г сокращается не столь существенно (при изменении ¡с от 30 до 50 °С время сушки сокращается на 63 %, при изменении ¡с от 50 до 70 °С время сушки сокращается лишь на 11 %).

з-

Я5-

и 2-

£ 1,5 = 1 0,5 О

а)

б)-

1 - 1с = 30 °С; 2 - 1с = 40 3 - 1с = 50 °С; 4 - 1с = 70 °С;

Рисунок 4 - Влияние температуры подаваемого кондиционированного воздуха на влагосодержание (а) и температуру (б) продукта

Таким образом, в результате проведения численных исследований не обнаружено изломов кривых сушки, и численный анализ подтвердил справедливость разработанной, на основе гипотезы проф. В.М.Шляховецкого /1/, расчетной схемы к процессу сушки. Однако, в рамках поставленной задачи, проверку достоверности математической модели в диссертации осуществили проведением натурных стендовых экспериментальных исследований.

В третьей главе описана экспериментальная НТСУ, методика планирова- -ния проведения экспериментов на экспериментальной установке, организация проведения экспериментов, обработаны и проанализированы полученные экспериментальные данные, произведен анализ качества высушенного продукта.

Дтя проведения экспериментов по исследованию процессов однонаправленного тепло-влагообмена и выявления режимных характеристик работы ТТР в условии НТС, на кафедре холодильных и компрессорных машин и установок Кубанского государственного технологического университета была разработана

и изготовлена экспериментальная НТСУ для сушки пастообразных пищевых продуктов в «кипящем слое» (рисунок 5). На рисунке 6 показаны процессы обработки воздуха на Ь-с1 диаграмме в экспериментальной НТСУ.

Экспериментальная установка предназначена для сушки вязких и пастообразных продуктов с начальным влагосодержаннем от 2,5 до 9 кг/кг в диапазоне температур кондиционированного воздуха от 30 до 70 °С. В установке частицы инерта, представляющие собой гранулы из инертного материала - фторопласта, предварительно нагреваются, утилизируя теплоту конденсации холодильного агента, после чего частицы переводятся в состояние «кипящего» слоя, путем продувания потоком кондиционированного воздуха, и на них наносится тонкий слой вязкого пищевого продукта. Таким образом, обеспечивается однонаправленный перенос влаги внутри продукта, вызванный влагопроводностью и термовлаголроводностью.

Измерительная схема экспериментальной НТСУ показана на рисунке 5.

Контроль среднеобъемной влажности высушиваемого продукта осуществлялся косвенно, по разности влагосодержаний воздуха на входе и выходе из камеры сушки Ыкм — Ф - с1е, кг/кг, при известной объемной производительности воздуха Кдз, м3/с (рисунок 5).

Контроль энергопотребления НТСУ (расход электроэнергии в электронагревателе, на привод термотрансформатора и вентилятора) осуществлялся косвенно по показаниям амперметров и вольтметров, включенных в электрическую схему питания этих элементов. * :

Так как было запланировано экспериментально исследовать режимы работы сушильной установки в «кипящем» слое для получения кривых сушки и определения продолжительности сушки до заданного влагосодержания в зависимости от входных параметров, то в качестве фахторов варьирования принимались:

- температура подаваемого в камеру сушки кондиционированного воздуха /с,° С;

- объемный расход воздуха через сушильную камеру Ут, м3/с;

- начальная температура предварительного нагретых частиц инерта 10, "С.

В соответствие с составленным планом были проведены исследования кинетики сушки белков сои водной экстракции, которые относятся к капиллярцо-пористым коллоидным телам. Условия натурных экспериментов принимались идентичными условиям выполненного ранее численного эксперимента, так тонкая пленка белков сои водной экстракции наносилась на предварительно нагретые шарообразные частицы инерта из фторопласта диаметром 1>ч - 6 мм.'

Производительность НТСУ составляла в среднем 1,6 кг/ч по влажному продукту и 0,4 кг/ч по высушенному продукту.

1 - сушильная камера; 2 - решетка; 3 - частица инерта; 4 - сепаратор; 5 - испаритель хладагента; 6 - конденсатор хладагента; 7 - холодильный компрессор; 8 - регулирующий вентиль; 9 - вентилятор; 10-электронагреватель; 11 -дозатор; 12 - патрубок; 13-16-шибер; 17-воздушный фильтр; 18-поддон ,

Рисунок 5 - Схема экспериментальной НТСУ

Рисунок 6 - Отображение процессов обработки воздуха на М диаграмме в экспериментальной НТСУ

Воздух из окружающей среды имел постоянные параметры: температуру ос.— 23 °С, относительную влажность «?о.с — 54 %. Режимные характеристики )аботы термотрансформатора - теплового насоса определялись в зависимости от »бъемного расхода по воздуху через ТТР, который определяла необходимая ско-юсть воздуха в камере сушки (таблица 1). Графические зависимости температур гипения и конденсации хладагента 11-22 в ТТР от объемного расхода воздуха че->ез ТТР показаны на рисунке 7. Таблица 1-Режимные характеристики работы ТТР

Параметр Объемный расход воздуха через ТТР, м3/с (м3/ч)

0,063 0,094 0,125

(226,8) (338,4) (450,0)

1. Температура кипения хладагента °С -5,2 -3,05 -0,9

2. Температура всасывания в компрессор "С 3,1 8,6 • 9,1

3 Температура нагнетания г„ °С 54,4 52,2 51,0

4. Температура ковденсадан хталагента °С 43,0 40,6 38,4

5. Холодопроизводительность Вт 2100 2250 2420

6. Потребляемая ТТР электрическая мощность ЛГ, Вт 766 704 645

7. Коэффициент преобразования тепла (КОП) ¡л 4,75 5,16 5,63

8. Холодильный коэффициент £ 3,75 4,16 4,63

9. Разность влагосодержакий воздуха до и после 1,51 1,32 1,09

испарителя Лй, г/кг

10. Количество выпадаемой в испарителе влаги С„, г/с 0,1 ¡4 0,149 0,164

11. Коэффициент влаговыпадения £ 1,407 1,295 1,209

12. Удельные затраты энергии ТТР на осушение воздуха кДж/кг вьшавшей влаги 12510 9670 8560

£

N

УА >>

п -

О

«3 rf

§

Из таблицы 1 и рисунка 7 следует, что с повышением расхода воздуха через ТТР температура кипения хладагента to практически линейно повышалась, а температура конденсации 4 - снижалась. При этом возрастала холодопроизводительность компрессора Qo, а потребляемая ТТР электрическая мощность N снижалась, что приводило к росту холод)1льнош коэффици-ira е и коэффициента преобразования тепла д С повышением расхода воздуха грез ТТР также наблюдалось увеличение количества выпадаемой влаги G„,. и при гам удельные затрзты энергии в ТТР на осушение влаги снижались.

г»

«а

за» гя ма «я Расход воздуха, м'/ч Рисунок 7 - Режимные характеристики ТТР

Результаты измерений параметров кондиционированного воздуха и высушиваемого продукта обрабатывались в виде кривых сушки (рисунок 8).

1) на рисунке 8-а показано влияние начальной температуры частиц инерта /0 на кинетику низкотемпературной сушки;

2) на рисунке 8-6 показано влияние температуры кондиционированного воздуха на входе в камеру сушки /с на кинетику низкотемпературной сушки.

3 2,5

. 2

¥

& 1,5 э

1

0,5 0

2 ' 1

V

юо iso

а)

) — to = 50 °С;

2-to = 70°C;

3-to = 90<lC

200 . 250 300

т.е.

150 200

б)

1-ic=30°C;

2-tc = 50°C;

3-tc = ?0 °C

гso зов т.е.

SDSutoPIo1 2^B3,B7t<t9ievi5.B77Vir*v0,01VHXt2Vl

a) - влияние температуры частицы инерта; б) - влияние температуры подаваемого воздуха; данные экспериментов;—- Осредненкая линия

Рисунок 8-Результаты экспериментов при сушке белков сои в НТСУ

Сопоставления полученных экспериментальных кривых сушки (рисунок 8) с расчетными кривыми сушки (рисунки 3 - 4), показали, что натурные эксперименты практически подтвердили достоверность численных исследований, выполненных по математической модели, при этом расхождение расчетных и экспериментальных данных не пре-. вышало 15 %, при максимальной относительной погрешности измерений 6,5 %.

Математическая обработка полученных кривых сушки с по--мощью компьютерной программы анализа статистических данных STATJSTICA for Windows фирмы StatSoft дала возможность получить комплексные графические зависимости в ввде поверхностей сушки (рисунок 9).

5 v о> СВ

tc,°C(y)

to,"C<I>

Рисунок 9 - Зависимость продолжительности сушки гот температуры инерта to и воздуха tc

Полученные графические зависимости были аппроксимированы, в результате чего были получены следующие уравнения регрессии полиномиальных зависимостей продолжительности сушки в зависимости от входных параметров процесса (температура воздуха (с, °С, скорость воздуха со, м/с,' относительная влажность воздуха <р, %) в виде:

г = 693,971 -0,916 -/0-15,877 -/с + 0,01 -/0 + 0Д2 • : (15)

•< г=83Я317-1^11-/()-13б837'й)-0,001^ +0,096?„•©+8,7^й/2; (16)

г = 254,7 - 0,364 • Г„ - 2,608 • <р + 0,006 • ¡1 - 0,04 • Г„ ■ <р + ОД 89 • ф1 !'. (17)

ч.

Статистическую проверку адекватности полученного уравнения регрессии экспериментальным данным осуществляли по критерию Фишера, для чего вначале определяли отношение

(18)

Критерий Фишера имел величину ¥=1,92. Табличное значение критерия Фишера Гт~24,9. Результат сравнения табличного значения критерия Фишера /•> с рассчитанным /<" удовлетворял неравенству ^ < /•>. На этом основании с вероятностью 95 % был сделан вывод об адекватности полученных уравнений регрессий экспериментальным данным.

На кафедре биохимии Кубанского государственного технологического университета инженером Назаренко С.Н. были произведены анализы основных показателей качества-высушенного белка сои водной экстракции (сухого соевого концентрата). Экспериментальные образцы сравнивались с эталонным образцом по ТУ 182/26-78 - Белок соевый пищевой, технические условия.

Результаты сравнительных анализов приведены в таблице 2 для следующих условий проведения НТС: начальная температура частицы инерта = 70 °С; температура воздуха на входе в камеру сушки гс = 70 °С; скорость воздуха в камере сушки (на полное сечение) а>~ 6 м/с. Таблица 2 - Показатели качества высушенного белка сои

Показатель Экспериментальный образец Эталон

Влажность, % 5,3 Не более 7,0

Содержание белка (на абсолютно сухое вещество), % 70,9 69,5

Коэффициент растворимости азота (степень растворимости белков) 5,1 3,7

Коэффициент диспергируемости белка (эмульсирующие свойства) 7,2 6,0

Коэффициент эффективности белка (пищевая ценность, усвояемость) 1,9 2,1

В таблица 3 показано влияние температуры подаваемого в камеру сушки кондиционированного воздуха /с на конечную влажность высушенного продукта. Таблица 3

Температура подаваемого воздуха Хс, °С 30 50 70

Влажность высушенного продукта Щ % 8,4 . 6,7 . 5,3 .

Из таблицы 3 следует, что при температуре подаваемого в камеру сушки воздуха ¡с<50 °С влажность высушенного продукта не входит в допустимый по ТУ 182 Л 6-78 диапазон.

В таблица 4 показано влияние начальной температуры предварительного подогрева частиц-инерта 10 на процесс денатурации белков.

Таблица 4

Начальная температура частиц инерта /о, °С 30 50 70 90

Коэффициент растворимости азота 5,2 5'2 5,1 . 4,4

Из таблицы 4 следует, что при начальной температуре предварительного подогрева частиц инерта 70 °С наблюдается резкое снижение растворимости азота, что свидетельствует об увеличении степени денатурации белков.

Таким образом, показатели качества высушенного продукта близки к эталонным, и лежат в области, нормируемой ТУ182/26-78 - Белок соевый пищевой, технические условия. Оптимальные температурные параметры НТС находятся в области температуры подаваемого кондиционированного воздуха /с = 50 °С и начальной температуры предварительного подогрева частиц инерта г0 - 70 °С.

Таким образом, экспериментальными исследованиями подтверждена эффективность применения разработанной схемы проведения НТС с применением ТТР при однонаправленности потоков тепла и влаги. Проведенные натурные эксперименты позволяют утверждать, что математическая модель с высказанными допущениями адекватно описывает физические процессы по исходной гипотезе. Это позволило приступить к практической реализации разработанной технологической схемы однонаправленного процесса НТС на базе ТТР.

В четвертой главе произведены энергетическая оценка результатов использования однонаправленного тепло-влагопереноса в низкотемпературной сушильной установке с термотрансформатором, технико-экономическая оценка возможностей выбора эффективного вещества в качестве инерта, рассмотрены пути совершенствования способов и установок НТС.

ЗО&гйиРЫ

га 20000 £

10000

__/ / ~7 40

40

«*°С(х)

«о "С (у)

По полученным экспериментальным данным был определен удельный расход электроэнергии на 1 кг испаренной влаги IV™ и удельный расход электроэнергии на I кг высушенного продукта представленные в виде комплексной зависимости от начальной температуры инерта (о и от температуры воздуха на входе в камеру сушки /с (рисунок 10).

Полученные графические зависимости были аппроксимированы, в результате чего были получены следующие уравнения

(19)

Рисунок 10 - Удельный расход

электроэнергии на 1 кг высушенного продукта

полиномиальных зависимостей:

= 536^516+1,048-/о +31 и 77- Гс +0,009- <1 -0,307- /0 -/с -0,289-1гс, =15808,86+3,377• +919,953-ГС - 0,038-0,883-/0 -/с -0,773-4. (20)

В результате анализа полученных зависимостей были сделаны следующие выводы о влиянии начальнойлемпер.атуры частицы инерта на энергетическую эффективность НТСУ: ' - '

- с увеличением температурного потенциала дтм = Т,ист - Тс удельные расходы электроэнергии ШЩ и дгг^ сокращаются;

■ если частица инерта обладает температурным потенциалом &ТАК = 60 °С, то сокращение удельного расхода электроэнергии в ТТР на 1 кг испаренной штаги Шу] на 1 кг высушенного продукта ШуЯ составит 14,4%;

- в зоне оптимальных температурных параметров НТС (/г = 50 "С, !0 = 70 °С) удельный расход электроэнергии в ТТР составит: ¡У,?^ - 8520 кДж/кг и 1'/у3 = =25560 кДж/кг.

С целью оптимизации толщины наносимого слоя продукта при использовании разработанной математической модели были проведены численные экспе-эименты по исследованию влияния толщины слоя наносимого-белка сои водной экстракции на кинетику низкотемпературной сушки. Результаты проведения шсленпых экспериментов, а также рассчитанные значения производительности г!ТСУ по влажному и высушенному продуктам и величины удельных затрат энергии на сушку сведены в таблицу 5 и графически изображены на рисунке 11.

Таблица 5 — Влияние толщины слоя наносимого продукта

Производительность НТСУ Удельные затраты энергии

Толщина нанесения 6, мм Продолжительность сушки г, с по влажному продукту дм, кг/ч по высушенному-продукту С0х, кг/ч на 1 кг испаренной вла- ги*С. кДж/кг на 1 кг высушенного продукта, кДж/кг

0,1 67 0,77 0,19 6559 19677

0,2 174 1,60 0,40 8520 25560

0,3 305 2,48 0,62 9953 29859

0,4 466 3,41 0,85 ' 11405 34215

0,5 663 4,40 1,10 12981 38944

40000

заме

"й гзхю ?

^ гоооо

* 15000

10000 5000

0,10 0,15 0.20 0,25 ОД) ОДЗ 0,40 ' 0,45 0,50

5, ММ

Таким образом, с увеличени ем толщины слоя . наносимой влажного продукта производитель ность НТСУ возрастает, но пр1 этом также возрастают и удельньк 'затраты энергии на сушку.

Оптимальная v толщине слоя наносимого продукта 8а определится по минимуму приведенных затрат, определяемы» уравнением (21)

1- влажный продукт; 2 - высушенный продукт

Рисунок 11 -Удельные затраты энергии НТСУ с ТТР в зависимости от толщины слоя

. наносимого продукта =С+-/С (21.:

где С-эксплуатационные затраты на сушку, руб.;

К-капитальные затраты на создание НТСУ о ТТР, руб.; Е„ - нормативный коэффициент экономической эффективности капитальных вложений, который учитывает амортизацию оборудования НТСУ (Е„=0,15).

Характерно, что при увеличении толщины слоя наносимого продукта эксплуатационные затраты на сушку возрастают, но при этом снижаются капитальные затраты на создание НТСУ.

С целью уменьшения энергозатрат при НТС, а также с целью сокращения продолжительности процесса сушки в кондиционированном воздухе, необходимо, чтобы потенциал теплоаккумулирующей способности частиц инерта 0,чла был максимален, что будет иметь место при осуществлении расчетной схемы по рисунку 12 при переходе, агрегатного состояния инерта из твердого в жидкое. Для этого был проведен поиск эффективных материалов, которые могут удовлетворять принятым теплофизическим требованиям для инерта. В качестве сравнения аккумулирующих свойств частиц были рассмотрены, помимо фторопла-

1

Оч= Сч'Мч-ГГч-ТЛ + Гм-ю, ста, вещества: алюминий;

тригидрат ацетата натрия (СНзСООШ-3 Н20); пента-гидрат " тиосульфата натрия (На2520з-5Н20); гексагидрат. нитрата кобальта (Со(Шз)2-6Н20);

1 - частица инерта; 2 - слой продукта; 3 - герметичная „0Нагидрат нитрата алю-оболочка

Рисунок 12-Применение аккумуляторов теплоты . мнния (А^ОзЬ'УНзО), в качестве инерта тетрагидрат нитрата каль-

ция (Са(1чЮ3)г4Н20); оксогидрат гидроксида бария (Ва(ОН)2-8НгО); парафин В5; зоск; озокерит; вощина; полиоксиэтилен-125000. Ряд веществ кроме алюминия -^органические кристаллические, водосолевые системы, а последние четыре -эрганические кристаллические вещества. Фторопласт и пищевой алюминий удовлетворяют условиям прямого контакта при сушке пищевых продуктов, для остальных - такой контакт с продуктом нежелателен, для чего их необходимо юмещать в герметичную оболочку (рисунок 12).

Численные эксперименты по разработанной математической модели посолили проанализировать динамику процесса сушки с применением перечис-генных веществ в качестве аккумулятора тепла. Сравнительные характеристики ¡лияння теплофизических сьойств вещества на экономию удельных энергозатрат 1рн сушке показаны на рисунке 13.

8 а.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12 13

! - аномиттй; 2 - фторопласт; 3 - вощина; 4 - гексагидрат нитрата кобальта; 5 - озокерит;

6 - воск; 7 - тетрагидрат нитрата кальция; 8 - полиоксиэтилен- ] 25000; 9 - пентагидрят тиосульфата натр:«; 10 - парафин В5; 11 - нонагндрзт нитрата алюминея; 12 - тригидрат ацетата натрия; 13 - оксогидрат гидроксида бария

Рисунок 13 - Влияние вида аккумулирующего геиества на экономию удельных затрат в ТТР на сушку

20 ■ _

Они позволяют сделать вывод, что использование в качестве теплоакку-мулируюшего веществ с большой теплотой плавления например, оксогидратг гидроксидбария, существенно сокращает продолжительность сушки. Так, пс сравнению с фторопластом, нагретым до температуры 80 °С, при использовании этого вещества сокращаются время сушки и удельные энергозатраты на 27,4 % Следовательно, применение в качестве материала частицы инерга веществ сс скрытой теплотой плавления перспективно.

Результаты исследований в направлении однонаправленной низкотемпературной сушки с применением ТТР позволили на кафедре холодильных и компрессорных машин и установок КубГТУ разработать и запатентовать способ однонаправленной сушки пастообразных пищевых продуктов в кондиционированном воздухе, и реализующую этот способ схему промышленной НТСУ, с применением ТТР для сушки вязких и пастообразных пищевых продуктов, таких как продукты детского и профилактического питания,, фруктовые пюре, цельное молоко, белки сон водной экстракции и др.

Процессы обработки воздуха на Ь-сЗ диаграмме в НТСУ по патенту показаны иа рисунке 14, а принципиальная схема установки-на рисунке 15.

Система циркуляции кондиционированного воздуха выполнена в виде двух независимых контуров, один из которых предназначен для подготовки холодного кондиционированного воздуха и включает последовательно соединенные камеру сушки, вентилятор, испаритель и адсорбер,. и замкнут, а второй контур, предназначенный для подготовки нагретого кондиционированного воздуха, разомкнут, связан с окружающей средой и включает последовательно соединенные вентилятор, конденсатор, калорифер и камеру сушки. Последовательным подключением камер сушки к контурам кондиционированного воздуха достигается непрерывная работа устройства (рисунок 15). Компрессор и дроссель-вентиль обеспечивают работу испарителя и конденсатора в контуре циркуляции хладагента в цикле работы термотрансформатора. ; .

На основе разработанного способа и реализующей этот способ схемы НТСУ была разработана инженерная методика расчета и проектирования НТСУ на основе ТТР, которая принята Краснодарским научно-исследовательским институтом хранения и переработки сельхозпродукции для использования при разработав проекта опытно-промышленной НТСУ производительностью 100 кг/ч по влажному продукту.

Йс (¡В ¿А <1,хг/хг

Рисунок 14 - Отображение процессов обработки воздуха на диаграмме по способу в патенте №2124683 РФ 1999г.

1 - сушильная камера; 2 - решетка; 3 - частица ннерта; 4 - выходной патрубок; - сепарзтор; б - воздуховод; 7 - вентилятор; 8 - испаритель хладагента; 9 - холодильный компрессор; 10 - конденсатор хтадагента; 11 - регулирующий вентиль; 12 - адсорбер-осупштель; 13 - вентилятор; 14 - калорифер; 15 - выбросной патрубок; 16 - шибер; 17 - дозатор; 18 - патрубок для вывода сухого продукта

Рисунок 15 - НТСУ на основе ТТР (по Пат. № 2124683 РФ 1999 г.)

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Основываясь на гипотезе проф. В.М. Шляховецкого о целесообразности организации однонаправленности потоков тепла и влаги в высушиваемом продукте с целью интенсификации процесса сушки в кондиционированном воздухе, разработана модель процессов однонаправленных тепло- и влагопере-носа при сушке слоя продукта на частице инерта.

2. Разработана математическая модель процессов однонаправленного тепло-влагопереноса, происходящего при низкотемпературной сушки тонкого слоя вязкого пищевого продукта на предварительно "нагретой частице инертного материала.

3. С целью проверки гипотезы и разработанной математической модели однонаправленных процессов тепло- и влагопереноса разработан экспериментальный стенд для низкотемпературной сушки на основе термотрансформатора.

4. Проведенными численными и экспериментальными исследованиями процессов однонаправленной низкотемпературной сушки, применительно к белкам сои бодной экстракции, подтверждена справедливость исходной гипотезы, получены уравнения зависимостей кинетики сушки, при этом расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышало 15%, при максимальной относительной погрешности измерений 6,5%.

5. Анализы показателей качества высушенного продукта - белков сои водной экстракции свидетельствуют, что основные показатели качества лежат в области, нормируемой по ТУ182/26-78 - Белок-соевый пищевой, технические условия. Определена зона оптимальных температурных условий проведения низкотемпературной сушки: в области температуры подаваемого кондиционированного воздуха tc~ 50 ° С при влагосодержании dc — 7,5 г/кг и начальной температуры предварительного подогрева частиц инерта t0 = 70 ° С.

6. На основании экспериментальных исследований произведена оценка энергетической эффективности предварительного подогрева частиц инерта to, которую характеризуют сокращение удельного расхода электроэнергии на 1 кг испаренной влаги А и7" и удельного расхода электроэнергии на 1 кг высушенного продукта дН'уД, соответственно на 14,4 если использованной в экспериментах частице инерта из фторопласта сообщается,температурный потенциал АТм= 60 °С. В установленной области оптимальных температурных параметрах низкотемпературной сушки удельный расход электроэнергии в ТТР составляет W™ = 8520 кДж/кг и = 25560 кДж/кг.

7. Выполнена технико-технологическая оценка возможностей выбора эффективных веществ в качестве инерта для использования в схеме НТСУ с ТТР, и в качестве материала инерта рекомендован к применению фторопласт, а при помещении в герметичную оболочку - оксогццрат гидроксида бария.

8. Разработаны способ и схема промышленной НТСУ на базе ТТР (патент Кз 2124683 РФ 1999 г.), в которых реализуются полученные теоретические и экспериментальные исследования.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Шляховецкий В.М., Гордиенко Ю.В. Перенос тепла и влаги в кондиционированный воздух из слоя вязкого пищевого продукта с внутренним источником тепла // В сб. тез. докл. международной научно-техн. конф. «Пищевая промышленность России на пороге XXI века: Научное и инженерное обеспечение пищевых и перерабатывающих отраслей АПК», М., 1996. - С. 17-18. Беззаботов Ю.С., Гордиенко Ю.В. Об инженерной методике расчета теплообменников-осушителей в условиях функционирования термотрансформатора как сушильного агрегата // В сб. тез. докл. международной научно-техн. конф. «Холод и пищевые производства», С-Пб, 1996. — С.316. Шляховецкий В.М., Гордиенко Ю.В. Оценка потенциала тепловлатопереноса при сушке в кондиционированном воздухе слоя вязкого пищевого продукта на сферическом инерте с внутренним источником тепла // Изв. вузов. Пищевая технология. -1997. - Ла 4. - С. 45-47.

Шляховецкий В.М., Беззаботов Ю.С., Гордиенко Ю.В. Математическая модель тепловлажностного режима низкотемпературной сушки на инерте с внутренним источником тепла //В сб. тез. докл. международной научно-техн. конф. «Рациональные пути использования вторичных ресурсов агропромышленного комплекса», Краснодар, 1997: - С. 217-218.

Беззаботов Ю.С., Гордиенко Ю.В. Проектирование сушильной установки с компрессионным термотрансформатором на основе совмешенных процессов тепло-влагопереноса // Теория и практика хладотехники: Сб. науч. Трудов / Кубан. гос. технол. ун-т, - Краснодар, 1998.-С. 13-17. Беззаботов Ю.С., Гордиенко Ю.В. Проектирование установок низкотемпературной сушки на базе САПР // В сб. тез. докл. международной научно-техн. конф. «Техника и технология пищевых производств», Могилев, 1998. - С. 150. Беззаботов Ю.С., Гордиенко Ю.В. Пути развития Сушильных установок в кипящем слое с использованием компрессионных термотрансформаторов // В сб. тез. докл. Второй межрегнон. научно-практ. конф. "Пищевая промышленность 2000", Казань, 1998.-С. 68-69. . .

Гордиенко Ю.В., Беззаботов Ю.С. Планирование проведения исследований на экспериментальном стенде сушильной установки в «кипящем слое» // Теория и практика хтадотехники: Сб. науч. Трудов ■/ Кубан. гос. технол. ун-т. -Краснодар, 1998. - С. 17-20.

Гордиенко Ю.В., Шляховецкий В.М. Оценка применимости математической модели переноса тепла и влаги в кондиционированный воздух из слоя пнше-вого продукта // Изв. вузов. Пищевая технология. - 1999. 4.-С. 78-80. Патент 2124683 Россия, 1Ш 2124683 С1. Способ сушки пастообразных пищевых продуктов и установка для его осуществления //Шляховецкий В.М., Беззаботов Ю.С., Гордиенко Ю.В.; Кубанский государственный технологический университет.-97105465/06; Заявл. 2.02.97; Опубл. 10.01.99.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ПРОЦЕССЫ, СПОСОБЫ И УСТАНОВКИ ДЛЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СУШКИ

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

1.1 Способы низкотемпературной сушки

1.2 Схемы низкотемпературных сушильных установок

1.3 Выбор направления исследований в области низкотемпературной сушки по схеме с использованием термотрансформатора

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ОРГАНИЗАЦИИ ОДНОНАПРАВЛЕННОГО ТЕПЛО-ВЛАГОПЕРЕНОСА В ЧАСТИЦЕ ИНЕРТА С ВНЕШНИМ ВЫСУШИВАЕМЫМ

СЛОЕМ

2.1 Обоснование физической модели

2.2 Разработка математическая модели

2.3 Методика численного решения

2.4 Проведение и анализ численных экспериментов

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СУШИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРА

3.1 Описание экспериментальной низкотемпературной сушильной установки с термотрансформатором

3.2 Методика планирования проведения экспериментов на экспериментальной установке

3.3 Организация проведения экспериментов

3.4 Обработка и анализ экспериментальных данных

3.5 Анализ качества высушенного продукта

Глава 4. ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОДНОНАПРАВЛЕННОГО ТЕПЛО-ВЛАГОПЕРЕНОСА

В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СУШИЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ С ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРОМ

4.1 Энергетическая оценка результатов экспериментов

4.2 Технико-технологическая оценка возможностей выбора эффективного вещества в качестве инерта

4.3 Развитие способов и установок низкотемпературной сушки 104 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 111 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 113 ПРИЛОЖЕНИЕ А - Программа математической модели однонаправленного тепло- влагопереноса

Сушка пищевых продуктов играет существенную роль в сельском хозяйстве и отраслях пищевой промышленности, учитывая влияние сушки на качество высушиваемого продукта и уровень энергозатрат (до 70% всех энергозатрат приходится на обработку продуктов). Поэтому из-за значительной энергоемкости необходимо обеспечить реализацию процессов сушки при минимальных энергозатратах и высокой эффективности сушильных установок /58/.

Традиционно продукты сушат в атмосфере нагретого до температур порядка 100 °С и выше воздуха. При этом отвод влаги из продукта в воздух обеспечивается главным образом в результате нагрева продукта и испарения влаги с его поверхности вследствие значительной величины термического потенциала ЛТс, определяемого разностью температур воздуха Тс и продукта Тпд. Взаимодействие продукта с горячим воздухом приводит к денатурации белков, окислению жиров, карамелизации сахара, потере формы, ароматики и витаминов, а в ряде случаев - к полной утрате требуемых свойств (жизнестойкость злаковых и семян, повышение кислотности жиров и др.). И как результат применения такой технологии - резкое снижению качества высушенных продуктов.

Использование воздуха с параметрами окружающей среды в качестве сушильного агента обеспечивает сохранение всех природных качеств продукта, но вследствие низких значений ЛТс продолжительность сушки велика и в промышленных условиях повышение производительности сушильных установок может достигаться только экстенсивными методами, что в большинстве случаев экономически нецелесообразно.

Новым направлением в технологии сушки пищевых продуктов является низкотемпературная сушка в кондиционированном воздухе с температурой и влагосодержанием меньшими, чем температура и влагосодержание окружающей среды, при которой требуемые параметры воздуха (температура/и влагосодержание ¿/) доводятся до необходимых значений при его обработке в испарителе и конденсаторе холодильной машины, работающей в режиме термотрансформатора (ТТР) /4 /. Этим обеспечивается сохранение высокого качества высушенного продукта, а использование в процессе кондиционирования воздуха компрессионных термотрансформаторов - тепловых насосов позволяет утилизировать теплоту термотрансформации и использовать его холодильный потенциал для осушки воздуха от влаги перед его подачей в сушильную камеру. При такой сушке продукт обезвоживается вследствие паровлажностного потенциала Лрс сушки, определяемый разностью парциальных давлений пара на поверхности продукта р„д и в воздухе рс. Процесс низкотемпературной сушки способствует сохранению исходного качества продукта, снижает интенсивность реакций и степень окисления в продукте, тормозит развитие микроорганизмов /58/.

Повышение производительности сушильных установок интенсивными методами, т.е. путем сокращения продолжительности процесса сушки тс и увеличения скорости сушки, может быть достигнуто при одновременном использовании движущих потенциалов сушильного процесса: Лрс и ЛТС. Применение комбинированных холодильных машин, работающих в режиме теплового насоса, позволяет использовать теплоту конденсации отводимой от продукта влаги, что приводит к снижению удельных затрат энергии на сушку.

Целью диссертационной работы является совершенствование низкотемпературной сушильной установки с термотрансформатором на основе теоретического и экспериментального исследования процессов низкотемпературной сушки с применением термотрансформатора, используя «кипящий» слой предварительно нагретых частиц инертного материала, являющихся аккумулятором тепла, при нанесении на него вязких и пастообразных пищевых продуктов (фруктовые пюре, детское питания, цельное молоко, белки сои водной экстракции и др.).

Тема диссертационной работы соответствует тематическому плану комплексных научно-исследовательских работ Кубанского государственного технологического университета, финансируемых Минвузом РФ по единому заказ-наряду и входит в комплексную тему № 2.13.000 - Разработка прогрессивных материалов, процессов и систем, ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий с использованием вторичных энергоресурсов.

В первой главе проведен литературный обзор и обобщен накопленный опыт по известным схемам сушки и сушильным установкам на основе термотрансформатора, выявлены их недостатки. Рассмотрена гипотеза проф. В.М. Шляховецкого, согласно которой для ускорения процесса сушки и сокращения энергозатрат целесообразно организовать в процессе сушки однонаправленность потоков тепла и влаги. На основании проведенного анализа сформулированы задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрены теоретические положения по организации однонаправленного тепло-влагопереноса в частице инерта с внешним высушиваемым слоем, составлена физическая модель процессов однонаправленного тепло-влагопереноса низкотемпературной сушки по разработанной расчетной схеме, используя дифференциальные уравнения тепло- и влагопе-реноса разработана математическая модель процессов однонаправленного тепло-влагопереноса, происходящего при низкотемпературной сушки вязких пищевых продуктов на предварительно нагретой частице инертного материала, описана методика численного решения, проведены и проанализированы результаты численных экспериментов.

В третьей главе приведено описание экспериментальной низкотемпературной сушильной установки с термотрансформатором, методика подбора основного оборудования, разработаны методики планирования проведения экспериментов, изложен порядок произведенного экспериментального исследования процесса сушки по разработанной расчетной схеме сушки, приведены экспериментальные данные, их обработка и анализ, а также анализ качества высушенного продукта, определены оптимальные температурные параметры проведения низкотемпературной сушки.

В четвертой главе приведены технико-экономическая оценка использования однонаправленного тепло-влагопереноса в низкотемпературной сушильной установке с термотрансформатором, энергетическая оценка результатов эксперимента, рассмотрен вопрос оптимизации толщины наносимого слоя пастообразного пищевого продукта при низкотемпературной сушке, рассмотрены возможности выбора эффективных отдельных веществ в качестве инерта, описаны полученные на основе выполненных исследований принципиально новые способ низкотемпературной сушки и низкотемпературная сушильная установка с термотрансформатором по патенту №2124683.

В заключении сделаны выводы и предложены рекомендации по проделанной работе.

В приложениях приведены распечатка программы алгоритма математической модели динамика процессов тепло-влагопереноса и справки, подтверждающие практическую реализацию выполненной работы.

10

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Основываясь на гипотезе проф. В.М. Шляховецкого о целесообразности организации однонаправленности потоков тепла и влаги в высушиваемом продукте с целью интенсификации процесса сушки в кондиционированном воздухе, разработана модель процессов однонаправленных тепло- и влагопереноса при сушке слоя продукта на частице инерта.

2. Разработана математическая модель процессов однонаправленного тепло-влагопереноса, происходящего при низкотемпературной сушки тонкого слоя вязкого пищевого продукта на предварительно нагретой частице инертного материала.

3. С целью проверки гипотезы и разработанной математической модели однонаправленных процессов тепло- и влагопереноса разработан экспериментальный стенд для низкотемпературной сушки на основе термотрансформатора.

4. Проведенными численными и экспериментальными исследованиями процессов однонаправленной низкотемпературной сушки, применительно к белкам сои водной экстракции, подтверждена справедливость исходной гипотезы, получены уравнения зависимостей кинетики сушки, при этом расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышало 15%, при максимальной относительной погрешности измерений 6,5%.

5. Анализы показателей качества высушенного продукта - белков сои водной экстракции свидетельствуют, что основные показатели качества лежат в области, нормируемой по ТУ 182/26-78 - Белок соевый пищевой, техниче ские условия. Определена зона оптимальных температурных условий проведения низкотемпературной сушки: в области температуры подаваемого и кондиционированного воздуха = 50 ° С при влагосодержании с1с = 7,5 г/кг и начальной температуры предварительного подогрева частиц инерта 1д = 70 ° С.

6. На основании экспериментальных исследований произведена оценка энергетической эффективности предварительного подогрева частиц инерта 1о, которую характеризуют сокращение удельного расхода электроэнергии на 1 кг испаренной влаги и удельного расхода электроэнергии на 1 кг высушенного продукта Л^7^, соответственно на 14,4 %, если использованной в экспериментах частице инерта из фторопласта сообщается температурный потенциал АТж = 60 °С. При установленных температурных параметрах низкотемпературной сушки удельный расход электроэнергии в ТТР составляет №УД = 8520 кДж/кг и = 25560 кДж/кг.

7. Выполнена технико-технологическая оценка возможностей выбора эффективных веществ в качестве инерта для использования в схеме НТСУ с ТТР, и в качестве материала инерта рекомендован к применению фторопласт, а при помещении в герметичную оболочку - оксогидрат гидроксида бария.

8. Разработаны способ и схема промышленной НТСУ на базе ТТР (патент № 2124683 РФ 1999 г.), в которых реализуются полученные теоретические и экспериментальные исследования.

1. Беззаботов Ю.С., Гордиенко Ю.В. Проектирование установок низкотемпературной сушки на базе САПР // В сб. тез. докл. Международной науч-но-техн. конф. «Техника и технология пищевых производств», Могилев, 1998.-c.150.

2. Беззаботов Ю.С., Гордиенко Ю.В. Пути развития сушильных установок в кипящем слое с использованием компрессионных термотрансформаторов // В сб. тез. докл. Второй межрегион, научно-практ. конф. "Пищевая промышленность 2000", Казань, 1998. с. 68-69.

3. Берлинер М.А. Измерение влажности. М.: Энергия, 1973. - 399 с.

4. Богданов С.Н., Иванов О.И., Куприянова A.B. Холодильная техника. Свойства веществ. М.: Агропромиздат, 1985.-208 с.

5. Гинзбург A.C. Теплофизические характеристики пищевых продуктов. -М.: Пищевая промышленность, 1980. 225 с.

6. Гинзбург A.C. Технология сушки пищевых продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1976. -248 с.

7. Гинзбург A.C. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1973. - 528 с.

8. Ю.Гинзбург A.C. Сушка пищевых продуктов. -М.: Пшцепромиздат, 1960. -684 с.11 .Гинзбург A.C., Савина И.М. Массовлагообменные характеристики пищевых продуктов. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. - 280 с.

9. Гинзбург A.C., Громов М.А. Теплофизические характеристики картофеля, овощей, плодов. -М.: Агропромиздат, 1987. 272 с.

10. Гинзбург A.C., Резчиков В.А. Сушка пищевых продуктов в кипящем слое. М.: Пищевая промышленность, 1966. - 196 с.

11. Гинзбург A.C. Расчет и проектирование сушильных установок пищевой промышленности. -М.: Агропромиздат, 1985. 336 с.

12. Гинзбург A.C., Дещенко В.П., Никитина Л.М. Массообменные характеристики влажных материалов // Тепло- и массообмен. Минск, 1974. -С.26-31.

13. Гоголин A.A. Осушение воздуха холодильными машинами. М.: Гос-торгиздат, 1962. - 104 с.

14. Гомелаури В.И., Везиришвили О.Ш. Опыт разработки и применения теп-лонасосных установок // Теплофизика. 1978. - № 4.

15. Гордиенко Ю.В., Шляховецкий В.М. Оценка применимости математической модели переноса тепла и влаги в кондиционированный воздух из слоя пищевого продукта // Изв. вузов. Пищевая технология. 1999.5. С. 42-44.

16. Гордиенко Ю.В., Беззаботов Ю.С. Планирование проведения исследований на экспериментальном стенде сушильной установки в «кипящем слое» // Теория и практика хладотехники: Сб. науч. Трудов / Кубан. гос. технол. ун-т. Краснодар, 1998,- С. 17-20.

17. Грачев Ю.П. Математические методы планирования экспериментов. М.: Пищевая промышленность, 1979. - 200 с.21 .Гришин М.А., Атаназевич В.И., Семенов Ю.Г. Установки для сушки пищевых продуктов: Справочник. -М.: Агропромиздат, 1989. 215 с.

18. Гухман A.A. Применение теории подобия к исследованию процессов тепло- и массообмена. М.: Высшая школа, 1974. - 328 с.

19. Данилин В.Н., Боровская Л.В., и др. Тепло- и хладоаккумулирующие материалы. Краснодар, 1991. - 80 с.

20. Дущенко В.П., Байджанов Х.Б., Василенко В.П. Влияние различных форм связи влаги, пористой структуры и температуры на коэффициенты внутреннего переноса типичных дисперсных материалов // Тепло- массопере-нос. Киев, 1968, № 6. - с. 13-18.

21. Каталог "Машины, оборудование, приборы и средства автоматизации для перерабатывающих отраслей АПК", том 1, часть вторая, с.70, М. 1989.

22. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Ч. Справочник по элементарной физике. М.: Наука, 1988.-256 с.

23. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Л.: Машиностроение, 1975. - 776 с.

24. Лебедев П.Д. Расчет и проектирование сушильных установок. М.: Гос-энергоиздат, 1963. - 320 с.

25. Лыков A.B. Тепло- и массообмен в процессах сушки. Л.: Государственное энергетическое издательство, 1956. - 464 с.

26. Лыков A.B. Тепломассообмен: Справочник. М.: Энергия, 1972. - 560 с.

27. Лыков A.B. Теория сушки. М.: Энергия, 1968. - 472 с.

28. Лыков A.B., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массопереноса. М.: Гос-энергоиздат, 1963. -415 с.

29. Лыкова A.B. Коэффициенты диффузии влаги влажных материалов в процессе сушки // Тепло- и массоперенос. Минск, 1968. - с. 134.

30. Мартыновский B.C. Циклы, схемы и характеристики термотрансформаторов / Под ред. В.М. Бродянского. М.: Энергия, 1979. - 288 с.

31. Никитина Л.М. Потенциал переноса массы в коллоидных капиллярно-пористых телах // Наука и техника. Минск, 1965. - 497 с.

32. Никитина Л.М. Термодинамические параметры и коэффициенты массопе-реноса во влажных материалах // Энергия. Минск, 1968. - 500 с.

33. Пасконов В.М., Полежаев В.И., Чудов П.Л. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена. М.: Наука, 1984,- 288 с.

34. Петров И.К. Технологические измерения и приборы в пищевой промышленности. -М.: Агропромиздат, 1985. -344 с.

35. Петров И.К., Солошенко М.М., Царьков В.А. Приборы и средства автоматизации для пищевой промышленности. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. -416 с.

36. Рабинович С.Г. Погрешности измерений. Л.: Энергия, 1978. - 262 с.

37. Рей Д., Макмайкл. Тепловые насосы. М.: Энергоиздат, 1982. - 224 с.

38. Романков П.Г., Рашковская Н.Б. Сушка во взвешенном состоянии. Л.: Химия, 1979.-271 с.

39. Романков П.Г. Сушка во взвешенном состоянии. Л.: Химия, 1968.-360 с.

40. Смольский Б.М. Внешний тепло-массообмен в процессе конвективной сушки. Минск: Изд-во Белгосуниверситет, 1957. - 206 с.

41. Справочник по специальным работам. Наладка, регулировка и эксплуатация систем промышленной вентиляции. М.: Государственное издательство по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1962. -556 с.

42. Суслов А.Э., Ионов А.Г., Эрлихман В.Н. Оптимизация температурных напоров в теплообменных аппаратах теплонасосной сушильной установки.// Холодильная техника, 1989. № 6. - С. 49-52.

43. Тепловые насосы и энергоснабжение // Холодильная техника, 1988. № 6. - С. 57-58.

44. Трухан Ю.В., Шуляков Ю.М. Планирование, анализ и обработка результатов исследований. Краснодар, 1979. - 92 с.

45. Филоненко Г.К., Гришин М.А., Гольденберг Л.М. Сушка пищевых растительных материалов. М.: Пищевая промышленность, 1971. - 439 с.

46. Чайченец Н.С. Методика эксергетического анализа теплонасосных сушильных установок // Холодильная техника, 1990. № 11. - С. 21-25.

47. Чуприна А.И. Исследование равновесной влажности и массообменных характеристик некоторых пищевых продуктов // Наука и техника. Минск, 1961. - 125 с.

48. Шаззо Р.И., Шляховецкий В.М., Беззаботов Ю.С. Энергетическая оценка теплонасосной установки для сушки пектина II Изв. вузов. Пищевая технология. 1993. - № 5. - С. 43-48.

49. П1аззо Р.И., Шляховецкий В.М. Низкотемпературная сушка пищевых продуктов в кондиционированном воздухе. М.: «Колос», 1994. - 119 с.

50. Шляховецкий В.М., Гордиенко Ю.В. Перенос тепла и влаги в кондиционированный воздух из слоя вязкого пищевого продукта с внутренним источником тепла // В сб. тез. докл. Международной научно-техн, конф.

51. Пищевая промышленность России на пороге XXI века: Научное и инженерное обеспечение пищевых и перерабатывающих отраслей АПК» , М., 1996. с. 17-18.

52. Щербинина JI.A. Исследование процесса и разработка режимов сушки семян сои: 05.18.03: Дис. на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 1974. - 176 с. - Библиогр.: С. 115-135 (192 назв.).

53. Юдашкин М.Я., Карлов М.П. Механическое оборудование установок очистки газов. М.: Металлургия, 1979. - 247 с.

54. Янтовский Е.И., Левин Л.А. Промышленные тепловые насосы. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 128 с.

55. Янтовский Е.И., Пустовалов Ю.В. Парокомпрессионные теплонасосные установки. -М.: Госэнергоиздат, 1982. 144 с.

56. Pichel М. Physical-chemical Processes during freezedryng of Proteins, Ashral Journal, March, 1965.119