Анализ процесса массообмена при распылительной сушке пищевых продуктов в переменном потоке Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Михалева Т.В., Попов В.П.

Оренбургский государственный университет Е-mail: Ppbt@mail.osu.ru

АНАЛИЗ ПРОЦЕССА МАССООБМЕНА ПРИ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СУШКЕ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ В ПЕРЕМЕННОМ ПОТОКЕ

Изложены результаты исследований по определению влагоотдачи при активных гидродинамических режимах сушки высоковлажного сырья. Определены коэффициенты диффузии и ма-соотдачи. Описаны процессы массопереноса при использовании переменного потока

Ключевые слова: распылительная сушка, уравнение массообмена, коэффициент диффузии.

Процессы сушки широко используются во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства. Почти в каждом производстве сушка является одной из важнейших стадий технологического процесса, от правильной организации которого зависит не только сохранность материалов, но и улучшение качества получаемой продукции.

Основные положения кинетики процесса сушки были впервые сформулированы русскими учеными П.С. Коссовичем и А.В. Лыковым применительно к испарению влаги из почвы. В дальнейшем вопросами сушки занимались Ю.Л. Кавказов - экспериментально доказал, что в процессе сорбции при нормальном барометрическом давлении влагой заполняются только микрокапилляры, Г.К. Филоненко рассматривал вопросы кинетики сушки в потоке воздуха, пронизывающем материал, И.М. Федоров -процессы нагревания и сушки материалов в среде перегретого пара и др.

Развитие теории распылительной сушки в большой степени связано с исследованиями: Г.Н. Абрамовича - разработал теорию турбулентных струй, М.С. Белопольского - занимался вопросами распылительной сушки керамических изделий, Ю.В. Космодемьянского, М.В. Лыкова, В.Д. Харитонова, А.П. Фокина - работы посвящены исследованию технологических процессов пищевых производств, в частности процессов сушки молока и молочных продуктов, Р.М. Малышева, В.Г. Никитина, Ю.И. Дыт-нерского, А.Н. Плановского рассматривали теории распылительной сушки в химичекой промышленности, основные отличия и аппаратурное оформление, а так же Пажи Д.Г. - механизм распыления и процессы происходящие с каплей в момент отрыва, У.Гаувина, Ф. Глукера, У.Маршалла, Э.Шлюдера - за рубежом.[1]

Анализ научно-технической литературы по вопросу распылительной сушки высоковлажных продуктов с сохранением их биологической ценности показывает, что выбор режимов сушки материалов различной природы основывается на изучении физико-химических и биофизических свойствах объектов сушки, а так же на понимании механизма воздействия температуры на качественные показатели системы.

Основное внимание при интенсификации конвективной сушки уделяется совершенствованию способа перемещения и перемешивания продукта с сушильным агентом, выбору оптимальных значений температуры газа и его скорости, размера частиц и удельной нагрузки на газораспределительную решетку. Интенсифицировать процесс распылительной сушки возможно путем изменения характера движения -скорости капли и траектории ее движения, т.е. создание в сушильной башне возвратно-поступательный - пульсирующий поток воздушнокапельной сред. Соответственно изменится процесс массоотдачи и его скорость.

Математическая модель процессов масооб-мена базируется на совместном рассмотрении уравнений Фика и гидравлики капиллярной системы продуктов. Сушка рассматривается как суперпозиция трех процессов: конвективной диффузии, диффузии в стесненных условиях капилляров и десорбции влаги. [2] Совместное влияние соответствующих движущих сил определяет развитие гидродинамических, тепловых и массообменных процессов.

Интенсивность массоотдачи сферической частицы радиусом г через прилегающую к ней парогазовую пленку толщиной д в окружающую среду с концентрацией пара около частицы С’п , а на границе пленки Сп , причем С’п > Сп описывается в соответствии с законом Фика. От

всей поверхности шара через паровоздушную пленку в радиальных направлениях установится поток массы пара, определяющийся выражением:

йШ=-ОРЁС

йт йт

где Ш- масса пара, кг; т - время, с;

= -В^^^ = -ВАкт2 йСп

йт

(1)

Б - коэффициент диффузии, м2/с; г - радиус частицы, м;

¥ - площадь поверхности, м2.

г йт Ап Б с\

) Т2 = ~^ } йС* , (2)

1 1 АпБ

откуда

т' т Ш У = АпО(С п- Сп)

(С- Сп) , (3)

(4)

1 + — .

т т'

Для шаровой поверхности, в соответствии с основным законом массоотдачи, это же количество влаги равно [3]:

У = рАпт\С\- Сп), (5)

где в - коэффициент массоотдачи, м/с. Приняв соотношения 4 и 5 получим:

в =

В

т

т(1 - т) т

(6)

Из уравнения (6) видно, что чем меньше радиус с пограничным слоем или г> 0, тем больше в.

В тоже время

0 ИыБ

в= 4Й ' (7)

где Б - коэффициент диффузии пара в воздухе, м2/с;

Ып - коэффициент Нусельта.

На основе исследований по массообмену между частицей и газом большинством авторов предложены зависимости коэффициента Нусельта от чисел Ие и Ргт[1]:

Мы = 2 + / (Ие, Ргт). (8)

Критерии Рейнольдса и Прандаля зависят от изменений радиуса, скорости обтекания частицы, вязкости и коэффициента диффузии:

Ие = ^ (ы, т,7),Ргт = / (/, В). (9)

Возникновение колебательного потока, изменения скорости частицы и характера ее движения повлияют на коэффициент Рейнольдса. Физический смысл критерия Рейнольдса есть отношение сил инерции, действующих в потоке, к силам вязкости, и зависит от смены режимов течения потока жидкости или газа. Берглес А.Е. доказал, что этот коэффициент при активных гидродинамических режимах зависит не только от основного потока, но и от характера обтекания частицы. Колебательный поток вызывает вторичный поток теплообмена - термоакустический эффект. [4] При добавлении распылительной сушилки прямоточного типа пульсатором в ее башне создается возвратно-поступателный поток, колебательный по своей сути. С учетом вышесказанного для определения критериев Ие и Ргт воспользуемся следующими формулами:

Ке = (10)

7

где й - диаметр капли, м;

п - относительная скорость капли, м/с;

СО - круговая частота, зависящая от количества оборотов дроссель-клапана пульсатора, с-1;

У - кинематическая вязкость, м2/с.

йШ

йт

= Вп(2 + 0,51

2пйыо

\0,52

ч0,33

В

) $£«. (11)

йт

Рассмотрим поэтапно данное уравнение. Одним из определяющих параметров является коэффициент диффузии. Этот коэффициент представляет собой перемещение пара из зоны с большей концентрацией в зону меньшей. Рассматривая задачу диффузии в капле в процессе сушки, в которой происходит движение влаги к поверхности тела, определяющееся градиентом концентраций по оси х и значением коэффициента диффузии (Б).

Коэффициент диффузии находится в прямо пропорциональной зависимости от температуры тела и коэффициента диффузии, в данном случаи, пара при нормальных условиях. При протекании процесса сушки с использованием переменного потока агента температура поверхности частицы остается постоянной.

Коэффициент диффузии определяется по формуле:

\1,75

D = KDn

T

273

(І2)

где Б0 - коэффициент диффузии при нормальных условиях и составляет 2,2 х 10-5 Т - температура, равная средней арифметической между температурой поверхности жидкости и температурой сушильного агента,К;

К - коэффициент.

В этом уравнении коэффициент К характеризует влияние дополнительного поперечного возвратно-поступательного потока сушильного агента на характер обезвоживания частицы. Колебание - интенсивное «встряхивание» -перемещает влагу из центра капли к периферии не только под действием градиента влаго-содержания, но и механического воздействия. Этот коэффициент показывает интенсивность «встряхивания» частицы.

Движущая сила процесса массопереноса выраженная через объемные концентрации пара на поверхности тела и в окружающей среде. Согласно уравнению идеальных газов, концентрация пара пропорциональна его парциальному давлению. Поэтому разность концентраций можно представить в виде:

AC =

Pp - P RT

(І3)

где рр - парциальное давление пара, равновесное содержанию влаги на поверхности частиц. р - парциальное давление пара в окружающей среде.

Удаляемая влага создает паровоздушную пленку, называемую пограничным слоем. В связи с использованием переменного потока на частицу оказывается, помимо теплового воздействия, интенсивное механическое встряхивание - результат колебаний потока паровоздушной смеси, в результате происходит «отрыв» пограничного слоя, затрудняющего процесс массопереноса.

В соответствии с этим пар с поверхности частицы удаляется непосредственно в ядро потока.

Запишем:

AC =

1 Pu.м.Фм - PuÆ

(І4)

RnT 100

где Rn - газовая постоянная,287 Дж/(кгК)

Т - температура сушильного агента, К; рнм - давление насыщенного пара на поверхности частицы, Па;

(рм - относительная влажность материала; <ре - относительная влажность воздуха; рнп - давление насыщенного пара в воздухе при указанной относительной влажности, Па.

Выявление специфических особенностей тепло- и массообмена при сушке распылением представляет теоретический и практический интерес. Приведенная модель дает представление о процессах влагоотдачи при распылительной сушке в активном динамическом режиме высоковлажного сырья, в частности, единичной сферической частицы, это позволяет определять влажность частицы и время, за которое она ее достигла.

16.08.2012

Список литературы:

1. Долинский, A.A. Оптимизация процессов распылительной сушки / А.А. Долинский, Г.К. Иваницкий. - М., 1989. - 156 с.

2. Бурдо, О.Г. Наномасштабные эффекты в пищевых технологиях // Инженерно-физический журнал. - Т. 78. -№2. - С. 88-93.

3. Плановский А.Н., Муштаев В.И., Ульянов В.М. Сушка дисперсных материалов в химической промышленности. - М.: Химия, 1979. - 288 с.

4. Гебхарт, Б. Свободноконвективные течения, тепло- и массообмен. В 2 книгах. Кн. 1 / Пер. с англ. - М.: Мир, 1991. -678 с.

Сведения об авторах:

Михалева Татьяна Владимировна, ведущий инженер, кафедра пищевой биотехнологии Оренбургского государственного университета Попов Валерий Павлович, заведующий кафедрой пищевой биотехнологии Оренбургского государственного университета, кандидат технических наук, доцент 460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13, ауд. 3215б, тел. (3532) 372465, ppbt@mail.osu.ru