Теоретическое обоснование конструктивных параметров инфракрасной электроустановки для сушкитермолабильных культур Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.384.3.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИНФРАКРАСНОЙ ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ ДЛЯ СУШКИТЕРМОЛАБИЛЬНЫХ КУЛЬТУР

В.М. Попов, В.А. Афонышна, Е.И. Шукшина, A.B. Горбатько

Челябинская государственная агроинженерная академия, Россия, г. Челябинск

[email protected], [email protected], [email protected]

На сегодняшний день создание новых высокопроизводительных и высокоэкономичных сушильных установок, а также совершенствование существующих путем применения новых энергосберегающих техник и электротехнологий сушки, обеспечивающих максимальную интенсификацию технологического процесса, при улучшении качества готовой продукции является актуальной задачей. В России с ее богатыми сырьевыми ресурсами сушильная техника приобрела огромное значение, и в настоящее время трудно найти такое производство, где бы изделия или материалы в процессе их технологической обработки

.

Наиболее перспективным способом сушки на сегодняшний день является сушка инфракрасным излучением [1].

Основным преимуществом ИК-сушки является то, что интенсивность испарения влаги по сравнению с конвективной или контактной сушкой тонких термолабильных материалов может быть увеличена в несколько раз, за счет подвода к сырью более значительных удельных потоков тепла. Однако по технологическим условиям сушки термолабильного сырья, увеличить скорость пропорционально увеличению теплового потока невозможно, так как она определяется не скоростью подвода тепла к поверхности, а скоростью перемещения влаги внутри материала и способностью воды, содержащейся в сырье, максимально поглощать ИК-излучение, а также требуемым качеством сушки материала (отсутствием остаточных деформаций, сохранением вкусовых, питательных, биологических свойств и т. д.) [1].

В связи с этим создание инфракрасных сушильных установок с оптимизированными параметрами, с целью снижения энергозатрат на

.

Преимуществами терморадиационной сушильной установки для сушки тонких термолабильных материалов являются:

- возможность создания компактной установки, позволяющей сократить производственные площади;

- значительная интенсивность сушки с возможностью значительного сокращения ее продолжительности, а, следовательно, снижения себестоимости сушки и увеличения КПД установки при сохранении высокого качества сухопродукта.

Сушка термоизлучением трудносохнуших толстых материалов менее перспективна, однако применение прерывистых режимов, локальных лучистых потоков, экранированная сушка, ступенчатое или постепенное повышение температуры и другие комбинированные способы подвода тепла, а также создание сушильных установок с оптими-

-

ность разрешить проблему интенсивной качественной сушки термоиз-

.

-

ных установок и оптимизации их для сушки термолабильных культур

необходимо помнить, что инфракрасные невидимые тепловые лучи

-

шей длиной волны, а, следовательно, подчиняются всем известным законам излучения тел. Интенсивность излучения зависит от черноты излучающего тела в, от длины волны X и абсолютной температуры нагрева поверхности тела Т.Количество лучистой энергии, которое переносится от источника излучения к другим телам или рассеивается в

окружающей среде в единицу времени, называется лучистым потоком,

-

-

.

-

новная задача определения наилучших, в некотором смысле, структуры и значений параметров объектов: сырья, генератора ИК-излучения, габаритных размеров установки, с целью снижения энергозатрат на технологический процесс сушки в целом, так как в настоящее время доля энергозатрат в себестоимости готовых сухопродуктов занимает одно из первых мест и продолжает постоянно расти. Таким образом, одна из задач оптимизации связана с расчетом оптимальных значений

конструктивных параметров сушильной установки, которые при за-

.

Для корректной постановки задачи оптимизации необходимо задать целевую функцию, опираясь на основные составляющие качественной сушки термолабильного сырья.

-

гих факторов:

- характера связи испаряемой влаги в материале;

- природы высушиваемого материала;

- размеров фракции и толщины укладки продукта;

- начального и конечного влагосодержания материала;

- размеров и расположения ИК-генераторов в сушильной установке;

- равномерности сушки.

--

щих качественной сушки:

- количество теплоты которое плоскость (если говорить о плоском источнике излучения или элементарная площадка, если говорить о точечном источнике ИК-излучения) излучает во всех направлениях пространства;

- коэффициент облученности ф, показывающий какая часть полного излучения, идущего от плоскости, попадает на говерхность-

;

- коэффициент экстинции х-,. характеризующий эффективность поглощения электромагнитного излучения сырьем [2].

-

метров сушильных установок для термолабильных культур, генерато-

-

ли, с определенной степенью черноты и мощностью [3;4], выражение,

-

раметров качественной сушки и может являться целевой функцией -это выражение для определения количества тепла(1) [1]:

где - количество тепла, передаваемого излучением от плоскости 1 к плоскости 2 в результате их взаимного излучения и поглощения, ккал/ч;

Т, и Г2 - абсолютные температуры поверхностей тела 1 и тела 2,

величина Н = ср 1 _2РI= Ф2-11": называется взаимной излучающей по верхностью тела 1 и тела 2;

Рь Р2 - поверхности тела 1 и тела 2;

(1)

;

(р1_2 иф2_1 - средние на поверхности коэффициенты облученности тела 1 на тело 2 и тела 2 на тело 1;

£цр - приведенная степень черноты системы.

Н

COS COS

7ГГ

dF2,

(2)

где 1|/1 и \|/2 - углы, составленные направлением излучения с нормалями к площадкам с^и сШ2;

г - расстояние между площадками.

Анализируя целевую функцию, мы видим, что между поверхностями изменяется только геометрическая составляющая, выражаемая коэффициентом:

СО С051р2

■clFn

(3)

из которого видна четкая зависимость количества передаваемой теплоты от расстояния между поверхностями, площади принимаемой поверхности и взаимного расположения поверхностей в пространстве. :

41

4 9е

пр

dF1

(4)

определяет количество теплоты, которое плоская поверхность dF, излучает во всех направлениях пространства.

Тогда выражение для определения коэффициента облученности между поверхностями будет иметь вид:

cos cos 02

<Р 1-;

nL

■dF,

(5)

и показывать, какая часть полного излучения, идущего с поверхности 1 в пространство, попадает на поверхность 2, или какая доля всего излучения, поступающего на площадку 1 из пространства, идет с поверхности 2.

Коэффициент облученности - это своего рода КПД сушильной установки, поэтому при проектировании последней необходимо стремиться к максимальному его значению. Из выражения для определения ф становится понятно, что немало важной задачей при нахождении оптимальных конструктивных параметров сушильной ИК-установки, является определение размеров излучателей, взаимное расположение

.

а

ь/г / 1 m Á

1 1 1 / р --

Рис. 1 .Вспомогательная схема для расчета конструктивных параметров каскада сушильной ИК-установки

Рассматривая, например сушильную ИК-установку каскадного типа [5;6] при проведении расчетов коэффициента облученности можно принять, что каскад сушильной камеры имеет форму призмы в соответствии с рис. 1, то выражение для определения среднего коэффициента облученности между противоположными поверхностями m=Fj и p=F2 после применения двойного интегрирования уравнения 5 и решения интеграла выразится следующей зависимостью [2]:

2 i--Ъ ,-

¿V а2 + h2 arc tan __= + ay/b2 + h2

Ф

m—p

abn[ ' Va2 + h2

a b a

* are tan __= — bh arc tan-;— ah are tan—

yjb2+h2 h h

h2 Qi2 + a2 + b2)h2 '

--In-

2 (а2 + h2)(b2 + h2)

(6)

Полученная зависимость наглядно отображает зависимость конструктивных параметров каскада сушильной установки (а, Ь, Ь).Решение данной зависимости любым из известных математических способов поможет при нахождении оптимальных а, Ьи Ь. при которых коэффициент облученности будет стремиться к единице, делая процесс сушки более коротким по времени, а, следовательно, и менее энергоемким.

Это позволяет сделать следующие практические выводы, которы-

-

установок для сушки термолабильных культур:

1. Терморадиационные сушильные устройства следует проектиро-.

2. Применение терморадиационных сушильных устройств особенно эффективно при сушке тонкостенных изделий с большим коэффициентом поглощения лучистого потока.

3. Необходимо рационально располагать излучатели в сушиль-

.

4. При проектировании радиационных сушилок необходимо стремиться к тому, чтобы лучистый поток от генератора ИК-излучения площадью F, распределялся равномерно по всей поверхности сырья площадью F2№inF=F1/F2~1.

5. Зная коэффициенты черноты генератора ИК-излучения и продукта ей их оптические характеристики, найденные конструктивные

параметры сушильной установки а, b, hno выражению (6) дают воз-

.

Список литературы

1. Лебедев П.Д. Расчет и проектирование сушильных установок -M.-JL: Госэнергоиздат, 1962, - 320с.

2. Мачкаши А., Банхиди J1. Лучистое отопление. - М.: Стройиз-дат, 1985, - 464с.

3. Полевой Б.Г., Попов В.М.Патент 100353 RUH05B 3/36 «Пленочный электронагреватель» - №2010115793, заявленный 20.04.2010, опубликованный 10.12.2010. Бюл. №34.

4. Попов В.М., Афонькина В.А. Использование пленочных электронагревателей (ПЛЭН) в технологическом процессе сушки растительного и дикорастущего сырья.// Вестник КрасГАУ. 2011. - № 12. -С. 216-218.

5. Попов В.М., Афонькина В.А., Кечкин A.A. Патент 102771 RUF26B 3/30 «Сушильная установка» - №2010140666, заявленный 04.10.2010, опубликованный 10.03.2011. Бюл. №7.

6. Попов В.М., Афонькина В.А., Шукшина Е.И. Применение ин-

-

ных установок каскадного типа.// Известия СПбГАУ. 2012. - №26. - С. 387-391.