CC BY
35
УДК 664.144
И. Ю. Алексанян, С. В. Синяк, Р. А. Хайбулов Астраханский государственный технический университет
МЕХАНИЗМ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА И КИНЕТИКА СУШКИ ГРАНУЛИРОВАННЫХ КОРМОВЫХ ПРОДУКТОВ
Для полного анализа и обоснования рациональных режимных параметров приведены результаты исследований явлений тепломассопереноса при сушке гранулированных продуктов на модельных экспериментальных установках (рис. 1, 2) с математическим описанием кинетических закономерностей. Изучен реальный процесс сушки с выделением лимитирующих факторов. Установлены связи между ними. Дано математическое описание комплексного процесса массопереноса [1].
а
х
Варианты нанесения продукта
б
Рис. 1. Экспериментальная установка: а - общий вид; б - схема:
1 - корпус; 2 - смотровое окно; 3 - ёмкость для исходного продукта;
4 - насос для подачи продукта; 5 - вакуумный насос; 6 - манометр;
7 - панели ИК-излучателей; 8 - щеточный распылитель; 9 - термопара; 10 - пластина; 11 - игольчатый носитель; 12 - весы; 13 - цифровой измеритель ёмкости;
14 - потенциометр; 15 - щит управления; 16 - коллимационная труба
Рис. 2. Конвективная экспериментальная сушилка: а - общий вид; б - схема:
1 - циркуляционный трубопровод; 2 - сушильная камера; 3 - калорифер;
4 - термометр сопротивления платиновый ТСП-5071; 5 - весы;
6 - сухой термометр; 7 - мокрый термометр; 8 - заслонки; 9 - вентилятор;
10 - пускатель; 11 - позиционный переключатель; 12 - электронный автоматический показывающий мост МПР-4; 13 - дифференциальный манометр; 14 - диафрагма; 15 - амперметр 2-й секции; 16 - вольтметр 2-й секции; 17 - ЛАТР 2-й секции; 18 - амперметр 1-й секции; 19 - вольтметр 1-й секции; 20 - ЛАТР 1-й секции; 21 - анемометр цифровой переносной 11 марки АП 1 ТУ 25
а
Интенсификация процесса сушки кормовых гранул с одновременной экономией электроэнергии может быть достигнута максимизацией целевой функции (удельного съема сухого продукта У, кг/(м2-ч)) при варьировании режимных параметров с учетом энергозатрат (диапазоны варьируемых факторов: с = 0,8^0,95 % для экспандированных продуктов, температура и скорость сушильного агента Т = 353^383 К, V = 1,5^3,4 м/с; для кормов для непродуктивных животных плотность теплового потока Е = = 1,7*-5,7 кВт/м2; длина волны, соответствующая максимуму интенсивности излучения X = 1,61-1,16 мкм при напряжении на излучатели и = 100^220 В, диаметр гранул ё = 0,004^0,008 м).
На рис. 3-6 представлены кривые сушки и скорости сушки кормовых продуктов, полученные дифференцированием кривых обезвоживания для характерных зон между точками перегиба. Согласно полученным зависимостям можно найти время сушки, соответствующее определенной влажности Ж, учитывая зону, в пределах которой она находится. Анализируя кривые скорости сушки, можно сделать выводы о механизме переноса влаги. По-видимому, возрастание скорости сушки в зонах свидетельствует
о преимущественном испарении влаги внутри ячеек, клеток, закупоренных капилляров, перемещение же влаги к поверхности происходит в основном в виде пара, диффундирующего через утончающиеся в процессе обезвоживания стенки ячеек, клеток, закупоренных капилляров, что приводит к постепенному увеличению скорости диффузии, которое определяется также увеличением градиента давления пара по толщине слоя. Диффузия пара, по-видимому, происходит в виде последовательных процессов конденсации пара и испарения влаги на стенках структуры с различной интенсивностью, в зависимости от глубины расположения поверхности испарения и конденсации.
При убывающей скорости сушки в области точки перегиба происходит плавный переход структуры в капиллярно-пористое тело с высокой дисперсностью (пористостью) ввиду высыхания стенок и их растрескивания, в результате чего образуется сеть микрокапилляров, движение пара через которые осуществляется путем эффузии. Так как в оптически тонком слое глубина проникновения ИК-излучения превышает толщину слоя, то всесторонний ИК-энергоподвод приводит к практически равномерному объемному энергоподводу и испарению влаги внутрь ячеек и расширению клеток, вследствие парообразования, во всем объеме продукта.
Интерес представляют исследования механизма внутреннего массопере-носа в комплексных системах, таких как корма для непродуктивных животных.
Значения критических влажностей (концентраций) и скоростей сушки (приведенных скоростей) в точках перегиба обусловлены не только изменением характеристик продуктов, энергетики и вида связи влаги с материалом, но и структурно-механическим трансформированием, взаимосвязанным с интенсивностью (начальным тепловым импульсом, тепломассообменной инерционностью системы, разрушением полупроницаемых оболочек клеток и ячеек (парниковый эффект), повышением внутреннего давления и образованием молярных потоков пара) процесса сушки.
На кривых скорости сушки кормовых продуктов наблюдается периодический рост скорости, ее снижение, участки постоянной скорости, что объясняется повышением интенсивности удаления осмотической влаги и пара внутри ячеек, клеток вследствие разрушения полупроницаемых оболочек клеток и ячеек, т. к. осмотическая, иммобилизационная и структурная внутриячеистая влага является по своим свойствам свободной, удерживаемой механически стенками полупроницаемых оболочек ячеек и осмотическими силами в клетках, при разрушении которых и наблюдается рост и участок постоянной скорости сушки. Анализ показывает, что удалению механически и осмотически удерживаемой влаги способствует гранулирование и экспандирование структуры (увеличение поверхности тепло- и массообмена) продукта, создание большого градиента давлений, объемные энергоподвод и влагоотнятие. Осмотический и структурный характер связи, в отличие от энергетического, определяется величиной энтропии, что подтверждает значительное влияние энтропийной составляющей свободной энергии для кормовых продуктов.
Ниже приведены зависимости для гранулированных кормов для непродуктивных животных (рис. 3, 4) и экспандированных кукурузных гранул после паросорбции и границы варьирования факторов (рис. 5, 6).
dW/dт,
кг/(кг-с)
Рис. 3. Кривые сушки кормов при различных тепловых потоках при U = 140 В; d = 0,004 м:
1 - Ер = 1,14 кВт/м2; 2 - Е p = 1,6 кВт/м2; 3 - Еp = 2,05 кВт/м2
Рис. 4. Кривые скорости сушки кормов при различных тепловых потоках при U = 140 В; d = 0,004м;
1 - Ер = 1,14 кВт/м2; 2 - Ер = 1,6 кВт/м2; 3 - Ер = 2,05 кВт/м2
dW/dт,
кг/(кг-с)
Рис. 5. Кривые сушки при конвективной сушке кукурузных палочек:
1 - 4 = 353 К; V = 1,5 м/с;
2 - 4 = 383 К; V = 1,5 м/с;
3 - 4 = 353 К; V = 3,4 м/с;
4 - tr = 383 К; V = 3,4 м/с
Рис. 6. Кривые скорости сушки при конвективной сушке кукурузных палочек: 1 - 4 = 383 К; V = 3,4 м/с;
2 - 4 = 353 К; V = 3,4 м/с;
3 - ^ = 383 К; V = 1,5 м/с;
4 - ^ = 353 К; V = 1,5 м/с
Уравнение кривых скорости сушки экспандированных кукурузных гранул после паросорбции имеет следующий вид:
d і
=(А, + Б,Ж )0
(1)
где А1, В1, А2, В2 - кинетические коэффициенты скорости сушки.
А1 = -4,95030272 • 10-7 • V • Т +1,7283964928 • 10-4 • V +
+ 4,79715328 • 10-7 • Т -1,6772503552 • 10-4;
Б = 1,74892032 • 10-7 V • Т - 6,077384704 • 10-5 • V -
-1,40172288 • 10-7 • Т + 4,922734592 • 10-5;
Ж, %
Ж, %
А2 = -2,42464• 10-8 • У • Т + 9,8224032• 10-6 • У +
+ 6,708128 • 10-8 Т - 2,33961152 10-5;
В2 = 1,0992 • 10-8 -У-Т - 3,923232 • 10-6 У -
- 3,17504 • 10-8 Т +1,17805312 • 10-5,
где У, Т - скорость и температура сушильного агента. Границы зон: 1 - с = = 0,8-0,85; 2 - с = 0,85-0,95.
Уравнение кривых скорости сушки кормов для непродуктивных животных по зонам имеет следующий вид:
п\,, п2, п3, ш\и ш2, ш3, - эмпирические кинетические коэффициенты сушки; і - порядковый номер зоны; с - концентрация сухих веществ; Ер -плотность теплового потока; X - длина волны. Границы зон: 1 - с = 0,3+0,52;
2 - с = 0,52+0,64; 3 - с = 0,64+0,75; 4 - с = 0,75+0,9.
Ниже приведены зависимости, полученные для гранулированных продуктов и способов их сушки:
\. Радиационная сушка (светлые ИК-генераторы КГТ-220-1000). Корма для непродуктивных животных (цилиндрические гранулы). Границы варьирования факторов: й = 0,004-0,008 м, Хтах = \,\6-\,28 мкм, Ер = \,\-5,7 кВт/м2 (для Хтах = \,4 мкм, Ер = \,\-3 кВт/м2):
У (Е, й, 1) = -23 53 Ц 8892 • Е2 • й • X2 + 57 906,034 • Е2 • й • X - 35 633,80\8 • Е2 • й +
+ \69,9092 • Е2 • X2 - 4\ 8,0240\4 • Е2 • X + 257,0009\6 • Е2 + 78 066,\26796 • Е • й • X2 -
- \ 94 292,922546 • Е • й • X + \20 998,835736 • Е • й - 556,775624 • Е • X2 +
+ \ 382,639556 • Е • X - 857,9674\8 • Е - 64 595,747568 • й • X2 + \63 308,529\048 • й • X -
-\03 448,450\74• й + 462,03\352• X2 -\ \63,7773658• X + 733,9\\9954; средняя относительная погрешность ± 0,5 %.
+
V
у
2. Конвективная сушка. Экспандированные кукурузные гранулы. Границы варьирования факторов: V = 1,5+3,4 м/с; Т = 353+383 К:
Y(V,T) = 5,6931458201753 • 10-3 • V2 T2 -1,52007875634 • V2 T +
+101,1947282532642 • V2 -1,8131429075326 • 10-2 V T2 +
+ 4,8426896359864 V T - 322,4498946154586 • V +
+1,4454074628999 • 10-2 • T2 - 3,8597145036734 • T + 256,960779618361.
Зависимость съема сухого продукта от диаметра гранулы или массы нанесенного продукта имеет неоднозначный характер. Экстремальный вид зависимости обусловлен взаимным влиянием двух факторов на целевую функцию. С одной стороны, сокращение продолжительности сушки при уменьшении диаметра гранулы, с другой - возрастание съема сухого продукта при повышении удельной массы нанесенного продукта. При увеличении плотности теплового потока выше 5,7 кВт/м2 наблюдали подгорание сохнущего продукта.
Исследования кормовых продуктов позволили рекомендовать рациональные режимы обезвоживания и гранулирования:
1. Радиационная сушка (светлые ИК-генераторы КГТ-220-1000), корма для непродуктивных животных (цилиндрические гранулы, атмосферная сушка):
Ер = 5,7 кВт/м2, d = 0,004 м, l max = 1,16 мкм, Y = 5,3 кг/(м2 • ч).
2. Конвективная сушка экспандированных кукурузных гранул:
V = 3,4 м/с; Т = 353 К; Y = 0,24 кг/(м2 • с).
Таким образом, в результате исследований созданы предпосылки реализации математической модели процесса сушки гранулированных кормовых продуктов.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Алексанян И. Ю. Развитие научных основ процессов высокоинтенсивной сушки продуктов животного и растительного происхождения: Автореф. дис. ... д-ра техн. наук / МГУПБ. - М., 2001.
Получено 29.12.05
THE MECHANISM OF HEAT-MASS TRANSFER AND KINETICS OF THE GRANULAR FEEDSTUFF DRYING
I. Yu. Aleksanyan, S. V. Sinyak, R. A. Khaybulov
The results of mechanism studying of heat-mass transfer when granular products are drying on model experimental installations with the mathematical description of kinetic laws in dehydration process marking out the limiting factors are shown in the work. Their connections are also determined there. The mathematical description of the complex process of mass transfer is given there. The researches of feedstuff have permitted to recommend rational modes of dehydration and granulation.
