CC BY
39
УДК 664.144
И. Ю. Алексанян, Ю. А. Максименко, Р. Н. Зарипов Астраханский государственный технический университет
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИКИ ПРИ СУШКЕ БИОПОЛИМЕРНЫ1Х ПРОДУКТОВ В ДИСПЕРГИРОВАННОМ СОСТОЯНИИ
Интенсивность процессов внешнего тепло- и массообмена в значительной степени определяется гидродинамической обстановкой в потоке теплоносителя (газа), омывающего поверхность частицы обрабатываемого материала и обменивающегося с ним целевым компонентом (в частности, парами воды). Для создания оптимизационных модулей процесса сушки, разработки методик инженерного расчета сушильных агрегатов необходимо знание основных параметров, определяющих гидродинамические характеристики агрегата.
При конструировании агрегатов необходимо также оценить критические скорости газовых потоков на определяющих участках и габаритные разметы агрегата.
Авторами были проведены исследования гидродинамического режима при сушке кормовых дрожжей в псевдоожиженном состоянии на оригинальной экспериментальной установке для исследования процесса сушки, в состав которой входят приборы и приспособления для определения гидравлического сопротивления и других варьируемых параметров. Получены зависимости гидравлического сопротивления от времени и влажности продукта, некоторые из них представлены на рисунке. Слой взвешенного раствора представляет собой систему с весьма сложными и многообразными физико-химическими и геометрическими характеристиками.
ЛР Па
Зависимость гидравлического сопротивления слоя кормовых дрожжей Ар от времени сушки х при температуре Т = 423 К и скорости сушильного агента V = 10,82 м/с:
1 - при начальной влажности wн = 0,8 кг/кг;
2 - при wн = 0,85 кг/кг; 3 - при wн = 0,9 кг/кг
Анализ экспериментальных данных показал, что характер изменения кривых зависимостей гидравлического сопротивления от времени с точки зрения наличия характерных точек перегиба, а также изменение наклона кривой на различных участках обезвоживания подобны кривым сушки не только по виду зависимости, но и по значениям сингулярных влажностей продукта в точках перегиба, которые практически совпадают с критическими значениями влажностей и времени на кривых сушки. Это объясняется тем, что гидравлическое сопротивление уменьшается при уменьшении влажности продукта, и, как следствие, происходит уменьшение характерного размера и массы, изменение пористости и, соответственно, плотности частиц. Кроме того, точки перегиба свидетельствуют об изменении превалирующего вида и энергии связи удаляемой влаги с материалом. Так как базой изучения кинетики и термодинамики обезвоживания является статика процесса сушки, которая определяется влажностью продукта (влажность продукта также является аргументом на кривых скорости сушки), интересно получение зависимостей гидравлического сопротивления именно от влажности продукта, а не от времени. Это связано с тем, что время напрямую зависит от начальной влажности продукта, являющейся исходной, независимой величиной, в большинстве случаев задаваемой технологическими условиями и ограничениями, а также являющейся варьируемым параметром, который можно задать при выборе рационального способа обезвоживания и оптимизации процесса сушки.
Результаты определения гидравлического сопротивления в зависимости от времени, влажности при различных варьируемых параметрах позволили получить аппроксимирующую математическую зависимость, представленную ниже.
Арг- = Ц- • м>2 + Ei ■ w + , (1)
где Ц, Е1 и - коэффициенты уравнения гидравлического сопротивления слоя продукта; - - порядковый номер зоны сушки.
При обработке экспериментальных данных оценивались погрешности измерений и расчета, т. к. использование измерительных устройств, приборов и приспособлений сопряжено с погрешностями. Для оценки точности измерений применялась статистическая теория ошибок.
Установлено также, что значения коэффициентов гидравлического сопротивления слоя продукта в аппроксимирующем уравнении Ар = =/(Т, V, wн, w, х) зависят в основном от скорости V и температуры сушильного агента Т и практически не зависят от величины удельной нагрузки слоя, что подтверждает результаты исследований ряда авторов [1].
Отклонение расчетных данных от экспериментальных не превышало 3 %. В области движения сушильного агента с преобладанием сил инерции (Яе < 2 000) значения коэффициентов гидравлического сопротивления зависят от скорости сушильного агента, удельной поверхности слоя продукта, которая является функцией влагосодержания.
Кроме того, получены уравнения для критических влажностей в точках перегиба в зависимости от варьируемых параметров, которые позволяют оперативно использовать полученные зависимости вследствие позонной аппроксимации. Таким образом, используя аппроксимирующее уравнение зависимости целевой функции (удельного съема сухого продукта), кривых скорости сушки от влияющих факторов, а также гидравлические зависимости, можно прогнозировать и оперативно управлять гидродинамическим режимом в процессе влагоудаления исходя из технологических ограничений и возможностей проведения процесса.
Комплекс экспериментов позволил определить критическую скорость начала псевдоожижения (V = 10 м/с), которую повышать нецелесообразно, т. к. расход воздуха при данной скорости обеспечивает необходимые энергозатраты (тепловой баланс) на проведение процесса сушки. Кроме того, увеличение скорости приводит к повышению гидравлического сопротивления и мощности воздуходувок, увеличению высоты слоя, а следовательно, габаритных размеров аппарата. При этом экспериментальные исследования показали, что при скорости сушильного агента более 10 м/с не происходит существенного повышения интенсивности процесса сушки и увеличивается вероятность проскока струй воздуха через слой без контакта с продуктом (что локально проявлялось в натурных экспериментах).
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Куцакова В. Е., Богатырев А. Н. Интенсификация тепломассообмена при сушке пищевых продуктов. - М.: Агропромиздат, 1987. - 236 с.
Получено 29.12.05
EXPERIMENTAL AND THEORETICAL HYDRODYNAMIC INVESTIGATION OF DRYING BIOPOLYMER PRODUCTS IN DISPERSED CONDITION
I. Yu. Alexanyan, Yu. A. Maximenko, R. N. Zaripov
Parametrical points and ranges determining hydrodynamic characteristics of a device have been worked out to create optimizing modules for process of drying biopolymer products in dispersed condition and to work out methods for engineering analysis of drying devices. There have been made tests for hydrodynamic process of drying fodder yeast in pseudo liquefied state. Time and moisture dependence of hydraulic resistance as well as critical rates of pseudo liquefaction and wear have been obtained.
