Гидродинамика псевдоожиженного слоя зерен кофе при обжарке перегретым паром Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

663.933.4:532.5

ГИДРОДИНАМИКА ПСЕВДООЖИЖЕИНОГО СЛОЯ ЗЕРЕН КОФЕ ПРИ ОБЖАРКЕ ПЕРЕГРЕТЫМ ПАРОМ

А.А. ШЕВЦОВ, А.Н. ОСТРИКОВ, А.Н. ЗОТОВ,

И.В. ПОДГУЗОВА

Воронежская государственная технологическая академия

Для достижения оптимальных условий проведения обжарки пищевых продуктов необходимо обеспечить максимальную поверхность межфазового контакта в единице рабочего объема, равномерное распределение взаимодействующих потоков по сечению установки, устранение малоподвижных и застойных зон [1]. Поэтому исследование структуры псевдоожиженного слоя - одна из важнейших задач гидродинамики.

Гидродинамические характеристики псевдоожиженного слоя кофе определяли по изменению сопротивления слоя в зависимости от скорости пара и удельной нагрузки продукта на газораспределительную ре-

ТТГАТТПГ \ Р “ /Л| /"т\ <) ТО Х*"Ч1*Г1 ТТЛ ТЮ*/Л1ТОТГТГГА Т>1 ТЛАТТ Т /'ТГЛЛ

<_аX ^\v} Ч/} С1 1IV.»

/?сл Ы). Высота псевдоожиженного слоя характеризует величину активной поверхности тепло- и мас-сообмена, поэтому наличие перечисленных параметров необходимо для правильной организации процесса обжарки зерен кофе. Гидравлическое сопротивление псевдоожиженного слоя не зависит от скорости пара и определяется равенством сил гидродинамического давления и сил, противодействующих псевдо-ожижению частиц, вызываемых трением потока пара о стенки камеры, его движением между частицами, со-

ударением частиц между собой, а также поддержанием слоя кофе во взвешенном состоянии [2, 3]:

А Р = Ст К “ ((~) — п VI — р \уЬ ^ 1 ^

“ • VI-' К i-e.it ’-"О /&'-0 ’ V*/

Гидродинамика псевдоожиженного слоя наиболее наглядно изображается кривой псевдоожижения (рис. 1: IV = 12%; /го, мм: 1 -25, 2 — 35, 3-50, 4- 65), на которой процесс перехода плотного слоя зерен кофе в псев-доожиженный отражается резким увеличением давления и зависит от состояния поверхности зерен кофе, их формы и плотности слоя. Пик давления АРтах свидетельствует о необходимости дополнительных затрат энергии потока пара на преодоление сил сцепления зерен. Ввиду того, что дополнительные затраты энергии ПрИ ПСрСХОДС ОТ ПЛОТНОГО СЛОл в псевдоОЖИЖСННЫИ НС поддаются точному аналитическому расчету, они учи-тываются коэффициентом 7?крпт, который определяется экспериментально.

Установлено, что на величину этого коэффициента оказывает влияние плотность слоя, влажность материала и высота неподвижного слоя [2, 3]. Увеличение скорости пара выше критического значения приводит к расширению объема слоя при постоянном гидравлическом сопротивлении. Переход от режима фильтрации к псевдоожиженному состоянию сопровождается появлением в слое газовых пузырей, которые барботируют через слой и изменяют его концентрацию и пороз-ность.

Таблица

Высота плотного СЛОЯ мм Удельная нагрузка кофе на решетку Я, Н/м2 Гидравлическое сопротивление слоя кофе АР, Н/'м2

40 ' 387 1870 0,89

50 407 1930 0,92

55 455 1995 0,93

25 193 1240 0.78

При этом гидравлическое сопротивление слоя колеблется около некоторого среднего значения, зависящего от величины удельной нагрузки, и определяется по формуле

1800 ! !•*'•

! 600

1400 1200 11 ЮМ)

!.

600

400

200

Рис. 1

АР=Я^т/Г. (2)

Значения коэффициента ЯКШ1. характеризующие равномерность псевдоожижения, для зерен кофе Индийский Арабика высшего сорта с различной удельной нагрузкой представлены в таблице.

-

Рис. 2

АР = (0,78...0,93)#.

(3)

Ь , "V

— =а + Ь---------—

V

+ тк„.

(4)

где И, Но — высота соответственно псевдоожиженного и плотного слоев кофе, м; кйИ - коэффициент внутреннего трения зерен кофе различной влажности; а, Ь. п. т - эмпирические коэффициенты.

Перед закипанием слой кофе расширяется и представляет собой ориентирование зерен по ходу движения теплоносителя [2]. Степень расширения зависит от коэффициента внутреннего трения. Уравнение (4) позволяет рассчитать скорость потока теплоносителя, со-ответствугон1ую началу расширения слоя кофе различной влажности. Чрезмерное увеличение высоты слоя замедляет процесс перемешивания кофе, что подтверждается эмпирическим уравнением

Величину гидравлического сопротивления для слоя кофе в диапазоне высот от 15 до 80 мм определяли из уравнения

Я = 1+

Рис. 3

(0,085+ 0,044/г0 /1))(7,72-24«?э)

п-1

(5)

Приближение значений коэффициента Кшш к единице свидетельствует об улучшении равномерности псевдоожижения с увеличением удельной нагрузки кофе на газораспределительную решетку за счет уменьшения каналообразования.

Наиболее полно характеризует структуру монодис-персного материала в псевдоожиженном состоянии его порозность [3]. Основными параметрами; влияющими на ее величину, являются конструкция газораспределительной решетки, скорость потока пара, размер и влажность зерен кофе.

Для определения аэродинамических и структурных характеристик псевдоожиженного слоя зерен кофе получено уравнение, описывающее степень его расширения:

где И - высота псевдоожиженного слоя, м; И0 - высота неподвижного слоя материала, м; О - диаметр аппарата, м; с/:, - эквивалентный диаметр зерна кофе, м; г\ - число псевдоожижения.

В процессе обжарки кофе степень расширения слоя значительно влияет на распределение скоростей потока теплоносителя по всей площади газораспределительной решетки установки. Эта величина обусловливает минимально возможную скорость перегретого пара, обеспечивающую равномерное кипение кофе в зоне загрузки и по всей длине газораспределительной решетки (рис. 2: й0, мм- 1 ~ 25; 2 - 40; 3 - 50; 4 - 55).

Исследовали влияние удельной нагрузки кофе на решетку и скорости пара на изменение структуры псевдоожиженного слоя кофе. За критерий изменения структуры принимали отношение Ртгх/Рср (рис. 3) и исследовали его зависимость от высоты слоя при разных удельных нагрузках, Н/м2: 1 - 176; 2 - 259; 3 - 345; 4 -431. Как видно из графика, увеличение удельной нагрузки кофе на решетку способствует образованию более однородной структуры псевдоожиженного слоя.

выводы

1. Исследованы гидродинамические характеристики псевдоожиженного слоя кофе Индийский Арабика при обжарке перегретым паром, которые определялись по изменению сопротивления слоя в зависимости от скорости пара и удельной нагрузки продукта на газораспределительную решетку.

2. Анализ однородности и равномерности псевдоожижения монодисперсного слоя кофе позволяет оценить его качество и выбрать оптимальный гидродинамический режим для проведения процесса обжарки.

3. Выявленный диапазон изменений коэффициента 7?кип 0,78... 0,93 свидетельствовал об улучшении равно-

ме(

на!

сч

и.

Ку

НС

тс

40

щ

лс

рі

с.

лс

ас

мі

не

[2

мі

М1

те а:

ЧЇ

ЭИ

КС

й?с

де

мерности псевдоожижения с увеличением удельной нагрузки кофе на газораспределительную решетку за счет уменьшения каналообразования.

ЛИТЕРАТУРА

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

2. Тодес О.М., Цитович О.Б. Аппараты с кипящим зернистым слоем (Гидравл. и тепловые основы работы). - Л. - 296 с.

3. Идельчик И.Е. Аэродинамика технологических аппаратов: (подвод, отвод и распределение потока по сечению аппаратов). -М.: Машиностроение, 1983. -351 с.

Кафедра процессов и аппаратов химических и пищевых производств

Поступила Об. 03. 03 г.

665.1.031.536.7

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЛИЯНИЯ ЛЕТУЧЕСТИ МА СЕЛ НА ПРОЦЕССЫ УПАРИВАНИЯ МИСЦЕЛЛ

Л.П. ВЫРОДОВ

Кубанский государственный технологический университет

В работе [1] рассмотрены термодинамические основы процессов упаривания мисцелл с учетом достаточно большой летучести компонента растворителя. К числу таких растворителей относится широко применяемый бензин марки Нефрас-А 65/70. В целях технологической безопасности используются также растворители с меньшей летучестью, в том числе сравнимой с летучестью компонента масла, что приводит к технологическим усложнениям.

Прежде чем подробно исследовать теоретические аспекты этой проблемы, рассмотрим вопрос применимости законов термодинамики к открытым системам, неоднократно поднимавшийся в инженерной практике [2]. Запишем первый закон термодинамики, применимый к открытым системам, для удельных термодинамических величин

йд = с!и + РсЬ>.

(1)

В открытой системе, текущая масса которой М, интегральные величины системы <2 = пщ,¥= т\\ и = ти, а энтальпия системы Н - -- V + РУ. Введение этих величин в выражение (1) приводит к закону сохранения энергии [3]

сІ<2=сіи + РсіУ - ^

(2)

х. (*)

2_,т к =м,

да

который после введения полной энергии системы а® = с?<2 + ^ Ьк<1тк принимает вид [1,4]

йФ = сШ + Р(1У. (3)

Так как с10 = 7У5, то выражение (2) предстанет в ви-

де

ГП -1 , 7Т 7 ^ 1 7 1

сиъ =—аи і—ау - / : пкатк. Т 1 №

Переходя в (1) к молям, получим

(4)

сІ() =сШ + РйУ-'^_і\х.ксІпк или, в энтропийном представлении,

сІБ = — сШ + РсІУ - X

т

(5)

(6)

где м* - мольный химический потенциал к-то компонента.

Выражения (4) и (6) называются уравнениями Гиб-бса. Если по аналогии переписать закон (1) (для единицы массы системы), то также получим уравнение Гиббса, в котором вместо множителя появится концен-

трационный множитель с1Ск.

Запишем теперь следующие выражения:

Iі* =~т

дп

А =-71

к У

_а$

дт

(7)

'к У

где Ик - удельная энтальпия к-то компонента.

Для установления связи Ик с и/, воспользуемся дифференцированием по промер точному аргумент}'

И-* =-■*

дт

V £ Г,

с1тк

СІП -

1 <1тк

А—-■

сіп.

Отсюда

Ц*=А*М*\

(8)

(9)

гдеМк - моль Аг-го компонента.

Из полученного выражения следует, что кк является удельным химическим потенциалом А'-го компонента.

Заметим, что в выражениях (4) и (6) записаны полные дифференциалы величин относительно движу щегося центра масс системы. Эти величины явно не зависят от времени, поэтому, выбирая, к примеру, в качестве независимых переменных Р, Т, «-величины, скорость изменения энтропии следует переписать так:

с18_

Л

дТ )(Р ,л V дР )п т сіі \ дп )

сіп

.(Ю)

Это означает, что явно от времени зависят выбранные параметры состояния в указанном в работе [1] смысле. Ценность уравнений Гиббса заключается так-