Научная статья на тему 'Оптические и терморадиационные характеристики упаренного моющего раствора и его пен'

Оптические и терморадиационные характеристики упаренного моющего раствора и его пен Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
292
44
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Давидюк Валерий Владимирович, Саипова Лариса Хаджи-ахмедовна, Остапенко Антон Дмитриевич

Оптические характеристики (ОХ) определялись экспериментально-аналитическим методом. Исследованы спектральные отражательные, поглощательные, пропускательные способности моющего раствора (МР) с различными структурами, содержанием влаги и условиями облучения. Получены терморадиационные характеристики (ТРХ) продукта. По методу усредненных характеристик получены уравнения для интегральных ТPX и ОХ и функций распределения объемной плотности поглощенной энергии излучения по глубине (x) оптически тонкого слоя на подложке и при двухстороннем облучении для различных инфракрасных (ИК-) генераторов с целью оценки их эффективности и реализации математической модели обезвоживания. Анализ спектральных ТРХ и ОХ продуктов, а также функций позволил выбрать рациональный вид и накал ИК-излучателей. Смоделировано и рассчитано уточненное распределение величины по слою при различных режимах сушки и условиях диффузного облучения оптически тонкого слоя. Для этого рассчитаны уточненные значения интегральных ТРХ и ОХ на различной глубине слоя и получены уравнения их зависимости от варьируемых факторов и глубины слоя. Найденные аналитические зависимости необходимы для завершения построения математической модели высокоинтенсивной сушки пен МР в вакууме при ИК-энергоподводе и расчета полей температур в процессе обезвоживания. Библиогр. 1. Ил. 2.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Давидюк Валерий Владимирович, Саипова Лариса Хаджи-ахмедовна, Остапенко Антон Дмитриевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

OPTICAL AND RADIANT HEAT CHARACTERISTICS OF WASHING LIQUID PRODUCT AND ITS FOAMS

Optical characteristics were determined by an experimental-analytical method. Spectral reflective Rλ, absorptive Aλ and transmittance Тλ abilities of washing liquids with various structures, moisture content and irradiation conditions are investigated in the work. Radiant heat characteristics of a product are received. According to the method of the averaging characteristics, the equations for integrated radiant heat and optical characteristics and functions of distribution of volumetric density of the absorbed energy of radiation in depth (х) of an optically thin layer (ω = f x, W, β) on a substrate and at two-sided irradiation for various infra-red generators to estimate their efficiency and realization of the mathematical model of dehydration are received. The analysis of spectral radiant heat and optical characteristics of products and their functions (ω) allowed choosing a rational kind and incandescence of infrared-radiators. The adjusted distribution of the value (ω) along the layer at various modes of drying and conditions of diffuse irradiation of an optically thin layer is designed and calculated. For this purpose the adjusted values of integrated spectral radiant heat and optical characteristics on various depth of a layer are calculated. The equations of their dependence from varied factors and depth of a layer are received. The found analytical dependences are necessary for completing the construction of a mathematical model of high-intensity foam drying in the vacuum with infrared power supply and calculation of temperature fields in the dehydration process.

Текст научной работы на тему «Оптические и терморадиационные характеристики упаренного моющего раствора и его пен»

УДК 66.047

В. В. Давидюк, Л. Х.-А. Саипова, А. Д. Остапенко Астраханский государственный технический университет

ОПТИЧЕСКИЕ И ТЕРМОРАДИАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УПАРЕННОГО МОЮЩЕГО РАСТВОРА И ЕГО ПЕН

Ряд проведенных ранее исследований показал перспективу вакуумной пеносушки во вспененном состоянии при объемном инфракрасном (ИК-) энергоподводе предварительно упаренного моющего раствора (МР) на основе белковых гидролизатов (БГ) с целью получения сухого моющего средства (СМС). Разработка рациональных режимов получения сухого продукта требует изучения оптических (ОХ) и терморадиационных (ТРХ) характеристик упаренного моющего раствора и его пены, которые являются основой для научно обоснованного анализа процесса ИК-энергоподвода и обоснованного выбора ИК-генератора.

ОХ определялись экспериментально-аналитическим методом, разработанным С. Г. Ильясовым и В. В Красниковым [1]. Исследованы спектральные отражательные Я-к, поглощательные Ах, пропускательные Т способности МР с различными структурами, содержанием влаги и условиями облучения.

Получены терморадиационные характеристики продукта. В их числе -представленные на рис. 1 направленно-полусферические ТРХ пены и растворов для различных влажности и способов сушки при варьируемых режимах; спектральные двуполусферические ТРХ, соответствующие диффузному облучению (рис. 2).

Рис. 1. Направленно-полусферические ТРХ пены МР при W = 27 % для толщины слоя: 1 - 1 мм; 2 - 2 мм; 3 - 3 мм; 4 - 10 мм

О А Сй (Ш 1Л 2Л 30 Х>ыкм

Рис. 2. Спектральные двуполусферические ТРХ пены МР, Ж = 27 %:

1 - Як, к = 2• 10-3 м; 2 - Як, к = 1 • 10-3 м; 3 - Гх , к = 1 • 10-3 м; 4 - Гх , к = 2-10-3 м

По методу усредненных характеристик получены уравнения для интегральных ТРХ и ОХ и функций распределения объемной плотности поглощенной энергии излучения по глубине х оптически тонкого слоя ю = / (х, Ж, ь) на подложке и при двухстороннем облучении для различных ИК-генераторов с целью оценки их эффективности и реализации математической модели обезвоживания. Анализ спектральных ТРХ и ОХ продуктов, а также функций ю позволил выбрать рациональный вид и накал ИК-излучателей. ИК-генераторы типа КГТ (КИ, КГ)-220-1000 при варьируемом напряжении в различных зонах сушки и оптически тонкий слой (I < 0,002 м) наиболее рациональны для высокоинтенсивной вакуумной сушки. Отмечено, что разница в ТРХ при направленном и диффузном облучении обусловлена специфическими особенностями высокодисперсной структуры продуктов (пен), значительно рассеивающих излучение, явлениями граничного и полного внутреннего отражения в пленках пены и капиллярной сетке.

Метод усредненных оптических характеристик является приближенным, т. к. не учитывает рассеяния, поглощения и изменения спектрального состава падающего потока излучения в слое.

Для решения дифференциального уравнения переноса тепла очевидна необходимость точного количественного определения функции ю= / (х,Ж, Т). С помощью предложенного С. Г. Ильясовым и В. В. Красниковым дифференциально-разностного метода расчета смоделировано и, с использованием экспериментально определенных значений плотности падающего на поверхность продукта интегрального потока Еп, рассчитано уточненное распределение величины ю по слою при различных режимах сушки и условиях диффузного облучения оптически тонкого слоя. Для

этого рассчитаны уточненные значения интегральных ТРХ и ОХ на различной глубине слоя и получены уравнения их зависимости от варьируемых факторов и глубины слоя.

Для расчета ю(х) вычислялись оптические интегральные характеристики.

Ь = ~1п

I

-1

м

где I - толщина слоя, м; Ь - коэффициент эффективного ослабления, характеризующий ослабление потока по мере его распространения в оптически бесконечно толстом слое и численно равный обратной величине глубины слоя, при прохождении которой результирующий поток излучения уменьшается в е раз.

к = Ь

1-Л 1 +

где к - усредненный коэффициент поглощения, определяющий поглощенную средой при прохождении сквозь слой ёх долю кёх плотности полусферического потока излучения; Л¥ - отражательная способность оптически полубесконечного слоя.

В действительности происходит сушка слоя конечной оптической толщины, где часть теплового потока пропускается структурой, многократно отражается от рабочей поверхности и вновь проникает в продукт. С учетом отражения холодной подложки величина ^(х) рассчитывается по уравнению

ю(х) = кЕ}

- 1 + Л

1 - Л У2

Л У 2

ехр(- Ь х)------э— ехр(Ь х)

Л

я - л

-; у = Д ¥ ехр(- ь • і) .

я ~(1 - К* -)

Зная Т и Я при оптически тонком слое, можно использовать выражение ю(х) = кЕп (1 + Я (ехр(- Ьх)+ Т=1 Я еХР(- Ь(1 - х))

1 Лі=1Лп

Спектральные двуполусферические ТРХ имеют ярко выраженный селективный характер. При варьировании влажности продукта происходит изменение его физико-химических и оптических свойств. Практически во всем диапазоне длин волн, за исключением областей, соответствующих полосам, где происходит интенсивное поглощение излучения влагой, увеличивается пропускание при росте влагосодержания из-за образования микротрещин, разрыхления структуры и конформации макромолекул при сушке и, соответственно, рост коэффициента рассеяния 5х.

Для интенсивного обезвоживания желательно, чтобы ^шах ИК-генератора соответствовала полосе поглощения воды, связанной с продуктом. Исходя из этого, при сравнении спектров излучателей и продукта, предварительно

можно выбрать следующие ИК-излучатели: нихромовая спираль в кварцевой трубке N = 600 Вт, U = 220 В, Х,^ = 2,4 мкм) и лампы типа КГТ, КИ-220-1000 при U = 220 В, ^т3х = 1,16 мкм и U = 100 В, Хтах = 1,6 мкм). Анализируя данные по интегральным ТРХ и ОХ и распределению объемной плотности поглощенной энергии ю, можно сделать вывод о целесообразности применения слоя конечной оптической толщины ввиду более равномерного распределения ю, что очень важно при сушке, где требуется объемный равномерный прогрев продукта. Те же аргументы говорят в пользу облучения лампами КИ-220-1000. При выборе подаваемого напряжения следует отдать предпочтение U = 100 В, Хтах = 1,6 мкм, поскольку в данном случае слой МР значительней поглощает энергию излучения. Это объясняется тем, что излучение с ^тах = 1,6 мкм соответствует гораздо более глубокой полосе поглощения в сравнении с излучением с Хтах = 1,16 мкм. Кроме того, при использовании нихромовых спиралей слой в 1 мм уже является практически оптически толстым (проникающее излучение на глубине 1 мм менее 0,01 от потока на поверхности).

Так как облучение происходит интегральным потоком при селективных ОХ, рассеивающих ИК-излучение, изменяется спектральный состав падающего потока излучения по глубине слоя. Селективное поглощение обусловливает изменение среднеинтегральных коэффициентов поглощения k, s, и L элементарного слоя dx на глубине х, которые могут быть определены усреднением по спектральному составу пространственной облученности E0x (1) при фиксированном значении х в спектральном диа-

пазоне длин волн падающего потока излучения ЕХп. Средний интегральный коэффициент поглощения k (1), действующего на глубине x, определяется осреднением по спектру пространственной облученности полным потоком излучения по следующим формулам:

12

12

k (х) =

| Бх 0 (х)^ й1 | qxo (х )4

11 т/Л 11

12

ь(х) =

12

IЕ10(х)й1

11

| q1o(х)й1

11

Ь (х)- k2 (х) 2k (х)

где пространственная облученность элементарного объема на глубине х

1 + Я,

X п

1 - Я Хэ Ух

ехр(- ЬХ х)-------ехр(ьх х)

Ях ¥

а величина плотности результирующего потока

qх (х)= Ехп

1 - Я,

1 Я Хэ Ух

ехр1

(- Ьх х)-

ЯХэУ2

Ях

-ехр(Ьх х)

Для одностороннего облучения слоя на холодной подложке получим решение для функции внутренних источников тепла ю:

w(x,W ) = L(x,W )En

1 - R ¥(W)

1 - R э (W)y2 (W, x)

exp(-L(W, x)x)-

Rэ (WV2 (W, x) --------T—\---<■

R M)

p(L(W, x)x)

Подставляя функциональные зависимости для входящих в уравнение для ю параметров, получим математическую модель распределения объемной плотности поглощенной энергии в слое. Обработка экспериментальных результатов и использование литературных данных позволили получить экспериментально-аналитические зависимости для ТРХ и ОХ от влажности, кратности (пористости) для слоя продукта или пены на различной глубине:

L(x,W, р) =

(- 4 395,16W -179 396)1010 x4 + (б 019,26W + 300 620)107 x3 + + (-1 528,05W -155 863)104 x2 + (- 9 243,37W -16 703,1)x +

+

+ 6,0621W

(

+

1000ln

55,22 • 10-5в 2+16,69 • 10-4в - 0,999^ 70 • 10-4 в - 0,103

- 348,56;

Я¥= 5,105 • 10-4 Ж + 0,02350 + 0,07135 .

Найденные аналитические зависимости необходимы для завершения построения математической модели высокоинтенсивной сушки пен МР в вакууме при ИК-энергоподводе и расчета полей температур в процессе обезвоживания.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Ильясов С. Г., Красников В. В. Физические основы инфракрасного облучения пищевых продуктов. - М.: Пищ. пром-сть, 1978. - 359 с.

Получено 29.12.05

OPTICAL AND RADIANT HEAT CHARACTERISTICS OF WASHING LIQUID PRODUCT AND ITS FOAMS

V. V. Davidyuk, L. Kh.-A. Saipova, A. D. Ostapenko

Optical characteristics were determined by an experimental-analytical method. Spectral reflective Rh absorptive A^ and transmittance abilities of washing liquids with various structures, moisture content and irradiation conditions are investigated in the work. Radiant heat characteristics of a product are received. According to the method

of the averaging characteristics, the equations for integrated radiant heat and optical characteristics and functions of distribution of volumetric density of the absorbed energy of radiation in depth of an optically thin layer (ro = f x, W, P) on a substrate and at two-sided irradiation for various infra-red generators to estimate their efficiency and realization of the mathematical model of dehydration are received. The analysis of spectral radiant heat and optical characteristics of products and their functions (ro) allowed choosing a rational kind and incandescence of infrared-radiators. The adjusted distribution of the value (ro) along the layer at various modes of drying and conditions of diffuse irradiation of an optically thin layer is designed and calculated. For this purpose the adjusted values of integrated spectral radiant heat and optical characteristics on various depth of a layer are calculated. The equations of their dependence from varied factors and depth of a layer are received. The found analytical dependences are necessary for completing the construction of a mathematical model of high-intensity foam drying in the vacuum with infrared power supply and calculation of temperature fields in the dehydration process.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.