CC BY
34
УДК 664.144
И. Ю. Алексанян, Р. А. Хайбулов, М. В. Голубятникова Астраханский государственный технический университет
АНАЛИЗ МЕХАНИЗМА ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА ПРИ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА СУШКИ ЭКСТРАКТА КОРНЯ СОЛОДКИ
Изучена кинетика сушки на разработанной экспериментальной установке (рис. 1) с помощью вероятностно-статистических методов планирования и обработки экспериментальных данных.
Рис.1. Экспериментальная установка: а - схема: 1 - корпус;
2 - смотровое окно; 3 - ёмкость для исходного продукта;
4 - насос для подачи продукта;
5 - вакуумный насос;
6 - вакуумметр; 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;
б - варианты носителя продукта
В качестве целевой функции принят съем сухого продукта с единицы площади рабочей поверхности в единицу времени кг/(м2-ч). Проведены исследования радиационной, радиационно-кондуктивной сушки в атмосфере и в вакууме на подложке. Установлено, что к основным факторам, влияющим на интенсивность процесса сушки, относятся: исходная концентрация сухих веществ С, кг/кг; толщина слоя И, м, или масса напыляемого продукта на единицу площади (), кг/м2; остаточное давление в вакуумной камере Р, Па; плотность теплового потока Е кВт/м2; длина волны X, мкм, соответствующая максимальной интенсивности излучения и напряжению на ИК-генераторах и, В. Границы варьирования факторов выбраны исходя из технологических ограничений и возможностей технического осуществления процесса сушки: С = 0,59...0,95 кг/кг; Е = = 0,67...2,36 кВт/м2; Р = 5 200...105 Па; X = 1,42...1,5 мкм.
Эксперименты проводились по многоуровневому многофакторному плану и по однофакторному многоуровневому плану, при фиксации всех побочных параметров для уточнения влияния отдельных факторов на эффективность сушки, составления полной формализованной математической модели и окончательной отработки режимов. В результате серии экспериментов получены кривые сушки, математическая обработка которых позволила получить адекватные аппроксимирующие зависимости целевой функции от варьируемых факторов (1). Например, съем сухого продукта при вакуумной пеносушке (ИК-генераторы КГТ-220-1000):
5(И, Е, X) =
■ 108 • И2 +
104.И + (1)
(2,9314167 X - 4,2781197)- Е2 +(- 7,667794649 X+11,288764) • Е +
+ (5,057987214 X - 7,497740843
(- 4,551075 X + 8.8358265-Е2 +(24,842925 X - 43,2211535-Е +
+ (- 31,1325375 X + 50,56530325
(- 43,098725 X + 46,74858951-Е2 +(124,097125 X-123,36931751-Е +
+ (19,37145-63,4582591
Анализ полученных результатов позволил выбрать рациональный вид и накал ИК-излучателей. При ИК-пеносушке экстракта корня солодки отмечено наличие максимума S при и = 120 В.
Рост S с уменьшением остаточного давления в камере при вакуумной сушке очевиден. Остаточное давление в камере целесообразно поддерживать на уровне технически возможного (Р < 5,3 кПа). Отмечена нецелесообразность перегрева растворов перед пеносушкой из-за снижения вязкости и падения стабильности пены. Проанализирован механизм действия других факторов, неоднозначно влияющих на S. На основании анализа и максимизации зависимостей вида (1) рекомендованы рациональные режимы сушки. В частности, для вакуумной пеносушки (КГТ-220-1000) экстракта корня солодки рекомендуются: остаточное давление в камере Р = 2 600... 5 200 Па, Е = 1,52 кВт/м2, к = 0,002 м, при этом достигается £ = 24,966 кг/( м2-ч).
Таким образом, исследование влияния основных факторов на интенсивность процессов различных способов сушки позволило определить рациональные режимы сушки, которые рекомендованы для практического использования. Часть результатов реализована в проектируемых опытнопромышленных сушильных установках.
Проанализированы особенности тепломассопереноса для исследованного продукта при сушке в тонких слоях. На основе проведенных экспериментов по изучению кинетики сушки аналитически получены кривые скорости радиационной, радиационно-кондуктивной сушки (рис. 2, 3), позволяющие вывести функциональные зависимости для продолжительности обезвоживания в любой зоне.
Проведена аппроксимация кривых сушки и скорости сушки многозонным методом, предложенным И. Ю. Алексаняном, с учетом энергии связи и вида связи влаги с материалом. Границы зон определяются точка-
ми перегиба кривых скорости сушки и хорошо согласуются с результатами исследований основных термодинамических закономерностей взаимодействия продуктов с водой.
Рис. 2. Кривые скорости сушки экстракта корня солодки при
Е = 0,67 кВт/м2, 1 = 1,5 мкм:
1 - к = 0,0005 м; 2 -3 - к = 0,002 м
к = 0,001
Рис. 3. Кривые сушки экстракта корня солодки (2 лампы 120 В) при
Е = кВт/м2, 1 = 1,5 мкм:
1 - к = 0,0005 м; 2 -3 - к =0,002 м
к = 0,001
Так, для экстракта корня солодки (вакуумная пеносушка) при ИК-энергоподводе на подложке границы варьирования факторов: Е = = 0,67.. .2,36 кВт/м2, к = 0,0005... 0,002 м, с = 0,59... 0,95: концентрация границы первой зоны С1к = 0,662; концентрация границы второй зоны с 2 к = 0,759; концентрация границы третьей зоны с 3к = 0,845.
(с) = [Аі + Вг (1 - с )]0
При с < С1к
А1
92,7084196016 357 ■ Е +15,8312902011 292
2
к2 +
Г 14,341243714 ■Е3 -38,017091372 ■Е2 + I + 29,129219609 Е - 6,5972203044
-8,8198540514 Е3 +17,639775895 Е2 -- 12,832734795 ■Е + 2,9631226777
10 - 2 к +
^ + 7,88551724227 ■ Е - 2,3026043155 + (43,58844613114 ■ Е2 -133,035167654 ■ Е + 69,56670883407) ■ к2 + + (- 7.7280498 -10-2 ■ Е2 + 0,25476511Е -0,140111741) ■ к +
+ (- 2.0483743 ■ Е3 + 5,2156398 ■ Е2 - 4.3560607 ■ Е +1,1875951) ■ 10-4
при С1, < с < С 2к
м
м
58,5501342151 574 ■Е3 + 142,3325126953 ■Е2 -
+
3,140268422439 ■ Е3 -8,743971459822 ■ Е2 +
■104 ■к3 +
А2 =(2,28266343383233-Е2 -5,84177762597516-Е + 2,88930339395б) ■ 104 к3 -
- (119,110970553096-Е2 - 303,04714315834 ■ Е +149,572671234803) ■ к2 +
+ (2,15392566 ■ Е2 - 5,39165802 ■ Е + 2,64141364) ■ 10-1 ■ к -
- (1,3446306838 ■ Е2 - 3,3560353152 ■ Е +1,6575089472) ■ 10-4;
Бг =
(3,736188021404 ■ Е3 -17,06446359249 ■ Е2 + 1
105 к3 -
ч+ 25,34030096982 ■ Е -10,41845051
- (119,110970553096 ■ Е2 - 303,04714315834 ■ Е +149,572671234803) к2 + (2,15392566■ Е2 - 5,39165802■ Е + 2,64141364) 10-1 ■ к +
+ (3,8907527202 ■ Е2 - 9,426816461082 ■ Е + 4,45196086021) 10-4;
при С2к < с < С3к:
А3 =1 ’ ’ | ■ 105 к3 +
3 ' - 6,0285943267 78 ■ Е + 1,6956008516 05
■103 к2 -
+ 2,7364853839 08 Е - 0,7565778480 042
1,930079021 ■Е3 - 5,117728312 ■Е2 + 1 ,
I ■ к +
+ 4,398292823 ■Е - 1,2191312138 )
9,077137939 ■Е3 - 23,99796077 ■Е2 +
+ 20,56049721 Е - 5,683332818
1398432,92607176 ■ Е3 - 3828640,32039182 ■ Е2 +
+ 3433309,99448384 ■ Е -1002237,9386244
к3 +
( - 6,2016816550 ■ Е3 +16,677034598 ■ Е2 -1 , „3 +1 I 103 к +
I -14,679511506 ■ Е + 4,2141882578
+1 ’ I к +
1+ 21,597588045 ■ Е - 6,1712980607
+1 ’ ’ I ■10-
I -0,12023548122765 ■ Е + 3,5356772663317
при С3к < с:
(- 31737,440600554 Е3 + 89816,956899568 Е2 ^ , 3 А4 = I !■ к3 +
4 |- 82412 ,612007459 ■ Е + 24443 ,065940126
+ 1151,9183422849 ■Е3 - 426,1488923862 ■Е2 +1 2 +
1 + 388 ,3984473232 ■ Е - 114 ,620138295
+ I- 0,243965706 ■Е3 + 0,6902381311 ■Е2-, +
[ - 0,6369411598 Е + 0,1903242856
+ „ + 1,443212042 ■ Е - 0,3926332834
+
+
3
0,6988917963 Е3 - 1,747956244 Е2 +
10 - 4
В 4 =
(- 2,75536376323007 ■ Е2 +10,5691486026503 ■ Е -1
ч - 58,4444677046175
■109 к3 +
(-1020,296646532 ■ Е3 + 2799,058021783 ■ Е2 -1
- 2509,797720219 ■ Е + 731,9348068694
72 +1
к-
к 2 +
(1,500555608397 ■ Е3 - 4,101977005148 ■ Е2 +1
^ + 3,666741111550 ■ Е -1,066908673576
- (3,68128515 ■ Е3 - 9,24427665 ■ Е2 + 7,71595142 ■ Е - 2,14243603^ 10-4.
Значения критических влажностей (концентраций) и скоростей сушки в точках перегиба (рис. 2, 3) обусловлены изменением характеристик продуктов, энергетики и вида связи влаги с материалом, а также структурно-механическими изменениями, взаимосвязанными с интенсивностью процесса сушки и определяемыми характеристиками продуктов. На кривых скорости сушки наблюдается аномальный рост скорости при низкой влажности, что объясняется повышением интенсивности удаления осмотической влаги и пара внутри ячеек пены (клеток) вследствие либо резкого, либо периодического разрушения пеноячеек (парниковый эффект) и полупроницаемых оболочек клеток при повышении внутреннего давления и образовании молярных потоков пара, создании существенных градиентов общего давления, и, как следствие, резком снижении энергии связи влаги с материалом. Это отчетливо проявилось визуально при вакуумной пеносушке экстракта корня солодки, который после высыхания до стеклообразного состояния практически мгновенно обезвоживается и одновременно подгорает. Анализ показывает, что удалению механически и осмотически удерживаемой влаги способствует диспергирование структуры продукта, создание большого градиента давлений, объемный энергоподвод. Осмотический и структурный характер связи, в отличие от энергетического связывания воды химическими и молекулярными силами, определяется величиной энтропии, т. е. такую влагу можно считать энтропийно связанной.
Сделанные выводы подтверждают рациональность осциллирующих режимов сушки биополимерных продуктов с точки зрения интенсификации тепломассообмена. Полученные уравнения скорости сушки для различных зон и аппроксимирующие зависимости кинетических коэффициентов сушки от различных факторов использованы в дальнейшем для реализации математической модели процесса обезвоживания и определения рациональных осциллирующих режимов.
+
+
Получено 21.02.05
ANALYSIS OF HEAT MASS TRANSPORT MECHANISM WHEN OPTIMIZING DRYING PROCESS OF MALT EXTRACT
I. Yu. Alexanyan, R. A. Khaibulov, M. V. Golubyatnikhova
Rational operating conditions were determined and recommended for drying. Curves for radiative, conductive-radiative drying rates were derived in the thin layers on the basis of heat mass transport plant products; the curves permitting to deduce functional relations for dehydration time in a chosen zone. Mechanism of dehydration is determined by osmotic character of bond between moisture and product in contrast to energetic water fixing by chemical and molecular forces; the mechanism being determined by entropy value. There were determined promising oscillator operating conditions for drying of biopolymer products from the point of view of intensification of heat mass transport. The drying rate equations obtained for various zones and approximating kinetic coefficient ratio of drying from different factors were used for realization of mathematical model of dehydration and determining rational oscillator operating conditions in the future.
