CC BY
47
УДК 664.144
С. В. Синяк
Астраханский государственный технический университет
ОСНОВНЫЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ, СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ, ГИГРОСКОПИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ТЕРМОДИНАМИКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГРАНУЛИРОВАННЫ1Х КОРМОВЫ1Х ПРОДУКТОВ И ВОДЫ
Для научно-практического анализа процесса сушки проведены исследования и аппроксимация теплофизических характеристик (ТФХ) экс-пандированных кормов, изучавшихся экспресс-методом, в основе которого для комплексного определения теплофизических характеристик вязких и крупноячеистых материалов лежит использование тепловой инерции термопары с фиксированной температурой (Т0 = 273 К) при резком контакте её с исследуемым продуктом.
В результате обработки полученных данных были определены коэффициенты теплопроводности X и температуропроводности а. Данные по значениям 1, а для экспандированных кормовых продуктов после паро-сорбции различной влажности представлены на рис. 1,2.
Рис. 1. Поле удельной массовой теплоемкости для реальных диапа^ зонов влажности и температуры в процессе сушки экспандированной кукурузы (Т = 293-353 К, w = 5-20 %)
Рис. 2. Поле коэффициента температуропроводности для реальных диапазонов влажности и температуры в процессе сушки экспандированной кукурузы (Т = 293-353 К, w = 5-20 %)
Математическая обработка экспериментальных данных позволила получить аппроксимирующие уравнения ТФХ от влажности и температуры:
ст = (-0,55833 • Т2 + 362,06667 • Т - 56981,2) +
+ (0,03983333 • Т2 - 25,54066667 • Т + 4106,6635) • w|(1 - w),
1 = 0,16 + 0,0042 • (1 - w)), а (с, /) = 1 (с, /)/[ст (с, /) • р(с)].
Отмечено, что зависимость ТФХ от Т имеет экстремальный вид, что нехарактерно для традиционных продуктов, хотя аналогичная зависимость наблюдалась у оливкового масла, жидкой эмульсии маргарина и т. п., что объясняется изменением состава парогазовой смеси и дисперсного экспандированного продукта при локальном спекании и растрескивании.
Малые значения а, 1 наводят на мысль о необходимости объемного энергоподвода (всесторонний обдув сушильным агентом при сушке в кипящем слое, на сетках и игольчатых носителях) для интенсивного влаго-удаления при максимально возможном диспергировании (гранулирование, измельчение) продукта при сушке.
Учитывая, что процесс сушки экспандированных гранул после паро-сорбции, при образовании стекловидной корочки на поверхности, протекает практически без изменения объема структуры при высокой интенсивности сушки, воспользуемся формулой аддитивности для текущей плотности: р” = р”(1 - ^н )/(1 - м>), где р” - начальная плотность.
Так как при экспандировании объем системы увеличивается в в раз, (в - кратность продукта, которую вычисляли экспериментально по формуле р = Кпрод /Кс в, где Ус в - объем монолита сухого вещества), то плотность
гранул рн = рисх/Р . Кратность (аналог пористости - относительный объем пустот) определяли методом вытеснения при различных режимах экпан-дирования Рп = 5,8 к 10,2. В оптимальном режиме после экспандера Рп = 7,98 (без стеклования поверхности гранулы). После дегазации и обработки паром Рп = 2,21.
Математическая аппроксимация зависимости кратности от текущей влажности ^ или содержания сухих веществ с, с учетом начальных параметров представлена в виде Р(с) = Рп • р(с) • с/рн • сн .
Так, в частности, для экспанданта зависимость плотности гранулы от влажности имеет линейный характер. Статистическая обработка экспериментальных данных (20 повторностей) при рациональных параметрах
экспандирования позволила получить оптимальные значения рнр до и после паросорбции. До паросорбции рнр = 52,1 кг/м3, после паросорбции -рнр = 187,9 кг/м3.
Для расчета термодинамических параметров и коэффициентов, оценки движущей силы и направления процесса, а также анализа вида и энергии связи влаги с материалом при различной влажности продукта исследовались гигроскопические характеристики гранулированных кормов для непродуктивных животных, высушенных методом ИК-сушки, и экспандированных кормовых продуктов, обезвоженных конвективной сушкой на основе полученных тензометрическим методом Ван Баме-лена изотерм сорбции исследуемых продуктов (рис. 3, 4).
Рис. 3. Изотермы сорбции экспандированных кукурузных гранул
Рис. 4. Изотермы сорбции кормов для непродуктивных животных
Исследования показали, что, благодаря образованию прочных гид-ратных комплексов при ориентационном характере гидратации ир (равновесная влажность) от 0 кг/кг (рис. 4) до 1-й точки перегиба, а следовательно, и сорбционная способность исследуемых продуктов сравнительно мало зависят от температуры. Далее, ввиду увеличения количества адсорбированной влаги, происходит полимолекулярная адсорбция. При дальнейшей сорбции молекулы воды проникают в межмолекулярные пространства, что приводит к слабому набуханию, аморфизации и явлению «сорбционной усадки». После 3-й характерной точки происходит сильное набухание и частичное растворение, что обусловлено наличием клеточных оболочек (вследствие присутствия компонентов растительного происхождения), предполагающих превалирование осмотического механизма сорбции (набухания). Таким образом, на изотермах сорбции исследуемых продуктов можно выделить 5 характерных участков, которые, как и точки перегиба особенно наглядно видны при построении зависимости А„ = А(ир) в полулогарифмических координатах.
Так как одной из основных целей изучения гигроскопических свойств сухих веществ является разработка рекомендаций по выбору ко-
нечной влажности высушиваемых продуктов, рекомендована целесообразная для процесса хранения влажность различных продуктов, соответствующая образованию «монослоя».
Таким образом,
ln Aw = (aT + bi Jp + (CiT + di),
(1)
где а, Ь, с, ^ - эмпирические коэффициенты; / - порядковый номер зоны (участка изотермы).
Границы характерных участков сорбции соответствуют изменению преимущественного влияния того или иного механизма сорбции, а также формы и энергии связи влаги с материалом. Известно, что потенциалом переноса влаги или движущей силой сорбции является разность химических потенциалов Ац, которая в изохорно-изобарно-изотермическом процессе равна дифференциальному изменению свободной энергии Гельмо-гольца АР:
Am = ЭAF/ЭJp = —E = — R ■ T ■ ln Aw,
(2)
где R = 8,314 Дж/(мольтрад).
После дифференцирования уравнения Гиббса - Гельмгольца (AF = AE — T AS, где - AS; AE - изменения внутренней энергии (энтальпии) и энтропии, по Up при Р, T = const) получим
(3AF/3Up) = (ЭАЕ/dUp) — T • (3AS/dUp)
(3)
где {дАЕ/Эир ) определяет дифференциальное изменение внутренней
энергии (теплового эффекта) сорбции, а {т • {ЭА^/дир)) - дифференциальное изменение энтропии связанной воды, представленные на рис. 5. Таким образом,
(ЭАЯ/Эир )т р = -Я • ІіщТ + Ь{ )ир + {2сТ + й,)]. (4)
i. 1 - T = 283 K, 2 - T = 298 К
1 щ >jC \\
t- § 1 * I -\ » 4 1 1 ij і і
* / її
t I
осіі-ї 0 05
0,15
а
б
Рис. 5. Зависимость свободной дАГ/дПр (I), связанной (Т-(дА£/дир) (II) энергии от влажности ир при сорбции: а - экспандированной кукурузы; б - кормов для
непродуктивных животных
В дифференциальное уравнение переноса тепла, как известно, входит при удалении влаги, связанной с материалом, сумма теплоты парообразования свободной воды г и теплоты смачивания гсм, определяемой дифференциальным изменением свободной энергии изотермического обезвоживания. Таким образом, количество тепла для испарения 1 кг влаги с учетом энтропийной составляющей
г = г'+гсм + гэнт = 3118,4581 • 103 - 22 86,66 • Т -- 55, (5) • ЯТ 1п А№ + 55, (5)Т Э(Л$)/дир . (5)
Для анализа движущих сил в процессе сорбции (десорбции) с целью выбора оптимальных режимов энергоподвода рассчитана функциональная зависимость от и и Т термоградиентного коэффициента массопереноса (рис. 6, 7)
5р = ст ■ (элт/эт и=СОп8г, (6)
где ст =(Эи/ ЭЛт)Т=СОП81 - удельная изотермическая влагоемкость
материала.
Итак,
5 р =
ЭЛ|1
эт
и
эи
ЭЛ|1
Jт
(2а{Т + Ъг )ир +(2сгТ + )
(аТ 2 + ЪгТ)
(7)
0004
5
1К
0003
1-Т=293°К 1-Т- 303°к
1
\ 1
5„, 1 к
г
\1
1 т = 283 К, 2 - Т = 29 8 К
и р.КГКГ
■. I! г.. рИс. 7. Зависимость термоградиентного Рис. 6. Зависимость термоградиентного коэффициента 5р от влажности иг коэффициента 5р от влажности ир
при сорбции экспандированной кукурузы
„р ---------------„р
при сорбции кормов для непродуктивных животных
У кормов для непродуктивных животных 5р переходит в область
отрицательных значений при ир > 0,19 кг/кг, что является аномальным. Влага на этом участке перемещается против потока тепла. Здесь, по-видимому, имеет место явление «термоосмотического эффекта», скорость которого пропорциональна У Т, не зависит от радиуса капилляра и обу-
словлена взаимодействием её с молекулами продукта, что и навело на мысль о применении объемных способов энергоподвода (всесторонний обдув, инфракрасный, комбинированный).
У большинства органических продуктов, в отличие от исследуемых, энтропийный член весьма мал по сравнению с изменением внутренней энергии, что в нашем случае говорит о наличии внутриклеточной структурной влаги ввиду осмоса и набухания, а также заполнения влагой при микрофильтрации через полупроницаемые оболочки газовых пузырьков и капилляров. Дальнейшее уменьшение энтропийной составляющей, которая в свою очередь приобретает большое значение, нехарактерно для большинства пищевых и кормовых продуктов, у которых дифференциальное изменение связанной энергии асимптотически приближается к нулю при увеличении влаго-содержания и говорит о «закупорке» капилляров, уменьшении размеров и исчезновении ячеек и пор вследствие значительной сорбционной усадки высокопористых пенообразных экспандированных продуктов.
Получено 17.01.06
CONNECTION OF MAIN THERMAL AND PHYSICAL CHARACTERISTICS, STRUCTURAL AND MECHANICAL CHARACTERISTICS AND ABSORBENT CHARACTERISTICS WITH THERMODYNAMICS OF INTERACTION BETWEEN GRANULATED FODDER AND WATER
S. V. Sinyak
For research and practical analysis of the process of drying there was conducted investigation and approximation of thermal and physical characteristics of expanded fodder studied by express-method. To calculate thermal and dynamic parameters and coefficients, to determine motive force and the way of the process, to analyze the type of energy of connection between water and the product at different product moisture there were tested hydroscopic characteristics of granulated fodder for unproductive cattle dried by IK-method, and expanded fodder dehydrated by convective drying on the base of sorption isotherms of tested products.
