CC BY
53
Исследование интенсивности конденсации пара при гидротермической обработке зерна крупяных культур
ММ Константинов, д.т.н, профессор, Оренбургский ГАУ; А.А. Румянцев, к.т.н., Костанайский ГУ
Современные способы получения зерна крупяных культур предполагают его гидротермическую обработку (ГТО) [1]. В этой связи отсутствие информации об интенсивности конденсации насыщенного пара, используемого при ГТО зерна крупяных культур, не позволяет достоверно оценивать тепловые и ресурсные потоки в аппаратах различных типов, предназначенных для этой цели, что в свою очередь ограничивает возможность реализации более точных и надёжных подходов при их проектировании и эксплуатации, а также экономических расчётах.
Цель настоящего исследования — определение интенсивности конденсации насыщенного пара в неподвижной (стационарной) зерновой массе крупяных культур (гречихи, ячменя, пшеницы) в период прогрева зерна (нестационарного режима) в аппаратах ГТО периодического действия, работающих под давлением.
Объекты и методы исследования. Экспериментальные исследования проводили с использованием аппарата традиционной конструкции при температуре подаваемого пара 100; 120; 143 и 158°С (избыточное давление соответственно 0; 0,2; 0,3 и 0,5 МПа). Геометрическая вместимость рабочей камеры 0,4 м3, а разовая загрузка — 100 кг. При постановке опытов помимо давления и температуры пара измерялось количество конденсата, поступающего из рабочей камеры за определённый интервал времени (15 с.).
Экспериментальные данные апроксимирова-лись выражением вида:
Л =
а • (1 - е) • хэ • АГ
8 • г • К
(1)
УИ
АТ = Тп — Т(т) — разность между температурой теплоносителя Тп и текущей температурой поверхности зерна Т(т), °С; г — удельная теплота парообразования (конденсации ), Дж/кг;
Яш — определяющий размер зерновки, представляющий отношение объёма зерновки к её поверхности перед ГТО, м (значение ЯуН для того или иного вида зерновки можно определить по известному методу [3], зная её средние геометрические параметры, приводимые в справочной литературе или определённые необходимыми измерениями).
Из-за незначительного доувлажнения зерна почти всё количество теплоты, выделяющейся при конденсации пара, проходит к поверхности зерновки через плёнку конденсата и перенос теплоты осуществляется путём теплопроводности. При таком допущении распределение температуры в объёме слоя зерна можно рассматривать как нестационарный процесс нагрева тела при начальных и граничных условиях третьего рода. В этом случае в соответствии с теорией тепломассопереноса [4] разность температуры теплоносителя и поверхности нагреваемого зерна определяется из решения дифференциального уравнения теплопроводности, имеющего вид:
Г - Г(т = (Тп - Т0) • А • 8тк,„
к„
ехр( -кп • Го),
(2)
где Jк — интенсивность конденсации пара, кг/м3 с;
а — коэффициент теплоотдачи пара зерну, определённый по критериальному уравнению конвективного теплообмена, Дж/ (м2 • с • град);
е — порозность слоя зерна;
Хэ — коэффициент экранировки, учитывающий уменьшение поверхности конденсации за счёт контакта зерновок и изменение их удельной поверхности (с достаточной для практики точностью можно принять Хэ = 0,93 [2]);
где Т0 — начальная температура зерна, °С;
Ап — начальные тепловые амплитуды; кп — корни характеристического уравнения, получаемые при решении дифференциального уравнения нестационарной теплопроводности;
То — критерий Фурье.
Учитывая сложность определения кинетики температуры поверхности зерна экспериментальным путём, мы произвели расчёты как температуры поверхности зерна, так и разности между ней и температурой теплоносителя с целью выяснения влияния последней на интенсивность конденсации пара [5].
При ГТО зерна насыщенным паром для расчёта коэффициента теплоотдачи а между плёнкой конденсата и поверхностью зерна используем уравнение Нуссельта при ламинарном течении
плёнки, которое после ряда преобразований, учитывающих особенности теплообмена в период прогрева, имеет вид:
а = 0,36 •
ин • • Р2 • Ъ •г
0,25
0,125
(3)
где ин — начальное влагосодержание зерна, кг/кг; Хк, Хки — соответственно теплопроводности конденсата у поверхности зерновки и при температуре насыщения, Дж/(м • с • град); М'к, И™ — соответственно коэффициенты динамической вязкости у поверхности конденсата и при температуре насыщения конденсата, Па • с; рк — плотность конденсата, кг/м3; g — ускорение свободного падения, м/с2; й — высота слоя зерна, м.
При выводе уравнения (3) считали, что движение конденсата на поверхности зерновки и трение пара о конденсат отсутствуют, а конвективный перенос теплоты в конденсатной плёнке и теплопроводность вдоль неё малы по сравнению с теплопроводностью поперёк плёнки конденсата.
Подставив в выражение (1) зависимости (2) и (3), получим уравнение для вычисления мгновенных значений интенсивности конденсации:
Л = 0,36
/ о о \0,25
ин • Ь к • Р к • Ъ • г
К
К
3 •
V
0,125
(1 - 8) • X3 • (Гп - Т0)
8 • г • Я,
(4)
УИ
п=1
/ \0,75
Ап • ^пкп к„
ехр(-0,75 • к2п • Го).
Кривые:
- расчётные;
экспериментальные
Результаты исследований. Результаты экспериментальных исследований и проведённых расчётов приведены на рисунке, из которого видно следующее.
Интенсивность конденсации пара в зерновой массе в значительной степени зависит от разности температур между ним и поверхностью зерновок. К окончанию периода прогрева зерна (120 с.) интенсивность конденсации пара снижается примерно в 9 раз по сравнению с первоначальной. Наибольшая интенсивность конденсации пара приходится на начальный период прогрева в интервале времени примерно 60 с., а затем быстро снижается вместе с уменьшением разности температур пара и поверхности зерна.
Вид зерна: • — гречиха; о — ячмень; х — пшеница
Рис. - Изменение интенсивности конденсации (к) и разности температур (А^ между насыщенным паром и поверхностью зерна со временем (т) при различных параметрах теплоносителя (н)
В то же время вид зерна, подвергнутого ГТО, практически не влияет на интенсивность конденсации пара, при этом расхождение экспериментальных данных по всем видам зерна в тот или иной фиксированный момент времени не превышало 6%.
Существенно влияет на интенсивность конденсации температурный режим насыщенного пара, который при одинаковой начальной температуре поверхности зерна определяет разность температур между ними. Это влияние в значительной мере снижается после 60—70 с. от начала процесса нагрева зерна и практически нивелируется к его концу. В период наибольшей интенсивности конденсации пара влияние его температурного режима носит примерно пропорциональный характер. Так, к 30-й с. при температуре пара 120 и 143°С интенсивность конденсации пара составила 1,2 и 1,4 кг/(м3- с).
Экспериментальные данные, общие для рассматриваемых видов зерна, достаточно хорошо описываются аппроксимирующими их кривыми при том или ином температурном режиме насыщенного пара. Расхождение между экспериментальными данными и соответствующими точками аппроксимирующих кривых не превышает 11% для всех видов зерна.
Вывод. Полученные результаты экспериментальных исследований подтверждают применимость выражения (1) для расчёта интенсивности конденсации насыщенного пара в зерновой массе, подвергаемой ГТО, и могут быть ис-
кн
к
0,75
пользованы для оценки вторичных тепловых и материальных ресурсов в технологии гидротермической обработки зерна крупяных культур.
Литература
1. Константинов М.М., Румянцев А. А., Борзов НА. Способ определения равномерности гидротермической обработки зерна крупяных культур // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2012. № 3. С. 79—82.
2. Аэров М.Э., Тодес О.М., Наринский Д.А. Аппараты со стационарным зернистым слоем. Гидравлические и тепловые основы работы. Л.: Химия, 1979. 176 с.
3. Егоров Г.А. Влияние тепла и влаги на процессы переработки и хранения зерна. М.: Колос, 1973. 264 с.
4. Лыков А.В., Михайлов Ю.А. Теория тепло-и массопереноса. М.: Госэнергоиздат, 1963. 536 с.
5. Румянцев А.А. Интенсивность конденсации пара при гидротермической обработке зерна // Пищевая технология и сервис. 2008. № 1. С, 48-51.
