CC BY
13УДК 664.723.047.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЙ ПРОЦЕССОВ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
Гаврилов А. В., кандидат технических наук, доцент;
Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского»
Рассмотрены мировые тенденции на рынке сушеных продуктов и концентратов. Анализируются энерготехнологии основных процессов обезвоживания - выпарки и сушки. Сравниваются современные технологи обезвоживания и обсуждаются научно-технические противоречия процессов выпарки и сушки. Показаны энергетические преимущества выпарки и ограничения по конечному влагосодержанию готового продукта. Приведены модели материальных балансов при комбинированных технологиях «выпарка - сушка». Представлены инновационные разработки техники обезвоживания - термомеханический агрегат и микроволновой вакуум-выпарной аппарат. Обсуждаются конструктивные варианты агрегата, возможности решать в нем параллельно задачи дробления, плющения, перемешивания и транспортировки продукта. Проведено развитие методов энергетического менеджмента для исследования энергетической эффективности на основе нового числа подобия - числа энергетического действия.
RESEARCHING OF PROCESS
ENERGY TECHNOLOGIES DEVELOPMENT OF VEGETATIVE RAW MATERIALS
Gavrilov A. V., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor; Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University»
The world tendencies in the dried products and concentrates market are considered. The energy technologies of the basic processes of dehydration (evaporation and drying) are analyzed. Modern dehydration technologies are compared and the scientific and technical contradictions of the processes of evaporation and drying are discussed. The energy advantages of the evaporation and the limitations by the final moisture content of the finished product are shown. Models of material balances with combined technologies of «evaporation - drying» are given. Innovative developments in dehydration engineering are presented - a thermome-chanical unit and a microwave vacuum evaporator. The constructive variants of the unit are discussed, the possibi-lities of solving in it the tasks of crus-hing, flattening, mixing and transporting the product in parallel. The specific energy costs in a thermomecha-nical aggregate and in traditional belt and cylinder dryers are compared. Energy manage-ment methods have been developed to study energy efficiency based on a new number of similarity - the number of energy actions.
82
Ключевые слова: процессы обезвоживания, энергетическая эффективность, термомеханический агрегат, ротационный термосифон, микроволновые аппараты.
Введение. Мировой рынок сушеных продуктов динамично развивается. Этому способствует интенсивный темп жизни современного человека, обуславливающий высокий спрос на такую категорию продуктов. Объем и номенклатура сушеных продуктов, порошков на них постоянно увеличивается. Расширение ассортимента сухих продуктов и внедрение инновационных энергоэффективных сушильных технологий, развитие научных основ обезвоживания продуктов и создание новых образцов техники является насущной и актуальной глобальной проблемой [1-5].
Концентраты из растворов получают, как правило, в результате выпаривания и последующей сушки. Это объясняется тем фактом, что рассматриваемые процессы обезвоживания серьезно отличаются, несмотря на то, что задачи у них похожие - удалить влагу из сырья. Физическая энергия, которая требуется для перевода 1 кг воды в пар, составляет 2,5 МДж. Но, если при выпарке минимум 85 % подведенной энергии к сырью используется полезно, то при сушке эта величина достигает максимум 40 %. Объясняется это тем, что выпаривание и сушка физически разные процессы. В первом случае движущей силой является разность температур (выпарка - классический тепловой процесс), а сушка определяется диффузионной движущей силой. По сравнению с выпаркой - сушка является вялым и продолжительным процессом. Затраты энергии при сушке в 1,6.. .3 раза выше, чем при выпаривании.
Вторым фактором, объясняющим традиционные 2 этапа обезвоживания, является то, что основной процесс при выпарке - это теплопередача. С повышением концентрации раствора увеличивается его вязкость, растет толщина гидродинамического и теплового слоя. В результате повышается термическое сопротивление на участке «стенка - продукт», растет перегрев продукта, появляется привкус варки. В связи с этим конечные концентрации готового продукта не превышают 35-60 %. Сгущенный в выпарном аппарате продукт поступает на дальнейшее обезвоживание в сушильные установки.
Материал и методы исследований. Рассмотрим традиционные схемы обезвоживания, и получения сухих продуктов предусматривают, как правило, две стадии. На первой часть влаги удаляется в выпарных аппаратах, на второй -в сушильных установках (рис. 1).
выпарка сушка
Рисунок 1. Двухступенчатая схема обезвоживания сырья
Key words: dehydration processes, energy efficiency, thermomechanical aggregate, rotary thermosyphon, microwave devices.
83
На рисунке 1 приняты обозначения: МН - начальный массовый поток сырья с концентрацией хН; МК - массовый поток жидкого концентрата с концентрацией хК; МС - массовый поток конечного сухого продукта с концентрацией хС; Wвп - вторичный пар после выпарки; WС - поток пара после сушки. Балансовые модели обезвоживания имеют вид -Для процесса выпарки:
Мн = М„ М„
(1)
Из первого соотношения в (1) находится МК, которое подставляется во втрое уравнение и, после несложных преобразований, определяется содержание сухих веществ в концентрате на выходе из выпарного аппарата:
Для процесса сушки:
Мк = Мс + М,дк = мсхс
(3)
Аналогично (2) находятся концентрации сухих веществ в готовом продукте:
Две стадии обезвоживания поясняется энергетическими факторами. Принципиально, всю влагу можно удалить в сушильной установке. Однако самая плохая выпарка имеет тепловой КПД 85 %, а самая хорошая сушка в 2 раза меньше [5]. Конструкции сушилок отличаются большим разнообразием и классифицируются по ряду признаков: способу подвода теплоты, используемому теплоносителю, взаимному направлению движения материала и сушильного агента, состояния материала и пр. [2, 4-8].
Преимущественно используется конвективный способ сушки [4]. Однако в условиях острого энергетического кризиса конвективный способ сушки теряет приоритетность из-за нерационального расхода энергии, в первую очередь с отработанным теплоносителем [5].
Перспективным решением считается конструкция термомеханического агрегата (ТМА) для нагрева и обезвоживания дисперсного и вязкого продукта [7]. Оригинальным узлом такого агрегата является теплопередающий модуль, который представляет собой конденсатор автономного испарительно-конден-сационного контура, работающего в режиме термосифона [8]. Именно такое исполнение модуля позволяет реализовать следующие преимущества: сократить цепь трансформации энергии; объединить в одном аппарате несколько технологических процессов; интенсифицировать теплоперенос; организовать эффективную доставку энергии к продукту; утилизировать тепловую энергию.
Результаты и обсуждение. Конденсатор теплопередающего модуля может быть различной конструкции, что позволяет ему выполнять дополнительные функ-
84
ции: перемешивать, дробить, перемещать, плющить и т.п. [7]. Использование ТМА в пищевых производствах позволяет достичь существенного эффекта при обработке неньютоновских жидкостей и мелкодисперсных материалов (табл. 1).
Таблица 1. Области использования ТМА
Отрасль Процесс Продукт Коэффициент теплопередачи, К, Вт/м2К
Консервная, Молочная, Виноделие нагрев, обезвоживание Томатная паста, молоко, мезга 950 1000
Пищеконцентратная сушка Крупа, горох, шлам 250
Вращение модуля способствует механическому воздействию на пограничный слой, что приводит к ощутимой интенсификации теплопереноса. Сравнение данных испытаний ТМА с ротационным термосифоном (РТС) при обезвоживании вареного гороха (табл. 2) с литературными данными [4-5] подтверждает энергетическую эффективность разработки.
Таблица 2. Энергетика сушильных установок
Тип сушильной установки Производительность, т/час Расход сушильного агента, 10-3 м3/час Расход энергии на выпаривание 1 кг влаги, кДж
СЗСБ-8 (барабанная) 8 50 4975
СПК-30 (ленточная) 1,5 27 5850
ТМА с РТС 1,5 10 3500
Энергетические затраты на сушку зависят от температуры и частоты оборотов РТС. Так, при температуре конденсатора РТС Тп = 143 °С минимальные затраты энергии достигались при частоте оборотов 28 об/мин и составляли 3,2 МДж/кг. Анализ полученных экспериментальных данных показал, что на испарение влаги затрачивается 69,4 %, на нагрев продукта 16,3 %, в окружающую среду теряется 13,2 %, а на подогрев воздуха около 1,1 %.
Инновационные принципы совершенствования техники обезвоживания основаны на использовании технологий адресной доставки энергии непосредственно к влаге в объеме продукта. Технически задача решается за счет электромагнитных полей. Если традиционные сушилки способны удалять до 3 кг влаги на 1 кг использованного органического топлива, то, при организации удаления влаги из продукта в виде «тумана», технически достижимый уровень составит 50 кг влаги к 1 кг топлива [5]. Сравнение удельных энергетических затрат (МДж/кг удаленной влаги) сушильной техники приведено в табл. 3.
Таблица 3. Энергетика сушилок
радиационная кондуктивная конвективная сублимационная электромагнитная
ТВЧ МВ
3,2-4,3 5,5-6,2 5,5-9 10-12 6-11 2-4
85
По сравнению с сушкой энергетика выпаривания выглядит привлекательней (табл. 4). Сравнение проведено по показателю удельных затрат энергии (]) и по числу энергетического действия (Ви) [5, 9].
Таблица 4. Энергоэффективность обезвоживания
№ Параметры Число ступеней традиционной выпарки Инновационный
энергоэффективности 1 2 3 4 5 МВВА
1 Ь, МДж/кг 2,89 1,42 1 0,82 0,68 1,9
2 Ви 1,15 0,57 0,4 0,33 0,27 0,76
Поэтому применяются ступенчатые схемы обезвоживания: «выпарка -сушка». Видно, что инновационный вакуум-выпарной аппарат (МВВА) эффективней одноступенчатой выпарки. Рассмотрим пример использования ТМА с РТС в технологии консервного производства (рис. 2).
Рисунок 2. Модель трансформации, транспорта и потерь энергии. а) - базовая схема; б) - схема ТМА с РТС: Эт - энергия топлива: Qп - потери энергии; Эпр -полезная энергия переданная продукту
Оценки (рис. 2) проведены относительно готового продукта, полученного из 500 кг сырья. Выполнены расчеты энергетических балансов в цепи «готовый продукт - топливо». Так, в базовой схеме (рис. 2, а) энергия топлива трансформируется в энергию водяного пара с потерями в парогенераторе при сжигании топлива = 152 МДж) и в окружающую среду = 436 МДж). При транспортировке пара к аппарату теряется = 270 МДж), а от корпуса аппарата = 52 МДж). Значительные потери с конденсатом, который отводится из аппарата = 810 МДж) (рис. 2).
В предложенной схеме ТМА с РТС (рис. 2, б) отсутствуют потери энергии при транспортировке пара к аппарату и с конденсатом. Поэтому автономность аппарата позволяет снизить расход топлива с 46,5 кг до 30,2 кг, а, также, умень-
86
шить удельный расход энергии Эу с 3,9 МДж/кг до 2,6 МДж/кг (табл. 5). В расчетах площадь поверхности теплопередачи в рассматриваемых схемах принята одинаковой - 3,7 м2. Сгущение томатной пасты проводится в вакуум-выпарном аппарате с паровой рубашкой. В середине корпуса установлена мешалка якорного типа. Рабочий объем аппарата 750-1000 л. Томатная масса поступает в аппарат с температурой ^ = 90±2 °С.
Степень интенсификации процесса термомеханической обработки томатной пасты достигла 1,4, а время обработки сократилось с 4090 с. до 2900 с. Сравнение технических характеристик базовой схемы (№ 1) с инновационной (№ 2) приведено в табл. 5.
Таблица 5. Сравнение технических характеристик
Схема Рагрузка аппарата, m Расход энергии, Эт Расход топлива Время цикла, t Удельный расход энергии, Эу
кг МДж кг % с МДж/кг
1 500 1910 46,5 100 4090 3,9
2 500 1200 30,2 63 2900 2,6
Выводы. Энергетические преимущества процесса обезвоживания в вакуум-выпарных аппаратах по сравнению с сушкой общепризнанны. Однако традиционные выпарные аппараты, реализующие процессы теплопередачи, ограничены по значениям влагосодержания готового продукта. Перспективным путем решения этих противоречий являются инновационные микроволновые выпарные аппараты, работающие по принципу объемного подвода энергии. Но анализ таких аппаратов требует поиск новых подходов к оценке эффективности инновационной техники. Традиционная оценка по значениям коэффициента теплопередачи теряет смысл, поскольку существенно отличаются принципы подвода энергии. Похожие проблемы возникают при анализе эффективности комбинированных схем обезвоживания «выпарка - сушка».
В работе предложено задачи оценки энергетической эффективности решать методами энергетического менеджмента, и рассчитывать расходы энергии на единицу продукта (МДж/кг либо МДж/л и т.п.). Эффект действия электромагнитного поля оценивается новым безразмерным комплексом - числом энергетического действия, которое учитывает соотношение расходов энергии инновационной и традиционной технологий. Проведенные по такой методике сравнения показали перспективность разработок.
Список использованных источников:
1. Hosovskyi R. et al. Diffusive mass transfer during drying of grinded sunflower stalks // Chemistry & Chemical technology. - 2016. - №. 10, № 4. - P. 459-464.
References:
1. Hosovskyi R. et al. Diffusive mass transfer during drying of grinded sunflower stalks // Chemistry & Chemical technology. - 2016. - №. 10, № 4. - P. 459-464.
87
2. Atamanyuk V., Huzova I., & Gna-tiv Z. Study of diffusion processes in pumpkin particles during candied fruits production. // Харчова наука та техно-лопя, - 2017. - 11 (4). - C. 21-28.
3. Ul'ev L. M., Vasil'ev M. A. Heat and power integration of processes for the refinement of coking products // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. - 2015. - Т. 49. - №. 5. -P. 676-687.
4. Долинский А. А., Малецкая К. Д. Распылительная сушка - Киев: Ака-демпериодика, 2011. - 376 с.
5. Бурдо О. Г. Эволюция сушильных установок - Одесса: Полиграф, 2010 - 368 с.
6. Development of wave technologies to intensify heat and mass transfer processes / Oleg Burdo, Valentyna Ban-dura, Aleksandr Zykov, Igor Zozulyak, Julia Levtrinskaya, Elena Marenchenko // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2017. 4/11 (88). P. 34-42.
7. Безбах И. В. Исследование работы термосифонов при обработке дисперсных и вязких пищевых сред [Текст] / И. В. Безбах, Омар Саид Ахмед, В. И. Донкоглов // Problemele energeticii regionale. Revista stiintifica, informational - analitica si ingenereasca / Academia de Stiinte a Moldovei instu-tul de energecica. - Chisinau, 2009. -№ 1. - С. 73-80.
8. Патент Украши 97592 МКИ F26 В 17/10. Пристрш для сушшня дис-персних матерiалiв / Бурдо О. Г., Безбах I. В., Зиков О. В.; заявник i патен-товласник ОНАХТ. - № u 2014 10150, опубл. 25.03.2015; Бюл. № 6.
9. Бурдо О. Г. Энергетический мониторинг пищевых производств - Одесса: Полиграф, 2008 - 244 с.
2. Atamanyuk V., Huzova I., & Gna-tiv Z. Study of diffusion processes in pumpkin particles during candied fruits production. // Food science and technology, - 2017. - 11 (4). - P. 21-28.
3. Ul'ev L. M., Vasil'ev M. A. Heat and power integration of processes for the refinement of coking products // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. - 2015. - T. 49. - №. 5. -P. 676-687.
4. Dolinsky A. A., Maletskaya K. D. Spray drying - Kiev: Academperiodika, 2011. - 376 p.
5. Burdo O. G. The Evolution of Drying Plants - Odessa: Polygraph, 2010 -368 p.
6. Development of wave technologies to intensify heat and mass transfer processes / Oleg Burdo, Valentyna Ban-dura, Aleksandr Zykov, Igor Zozulyak, Julia Levtrinskaya, Elena Marenchenko // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2017. 4/11 (88). P. 34-42.
7. Bezbah I. V. Research of bots of thermosyphons during processing of dispersed and viscous food environments [Text] / I. V. Bezbakh, Omar Said Ahmed, V. I. Donkoglov // Problemele energeti-cii regionale. Revista stiintifica, informational - analitica si ingenereasca / Academia de Stiinte a Moldovei instutul de energecica. - Chisinau, 2009. - № 1. -C.73-80.
8. Patent of Ukraine 97592 MKI F26 17/10 In. Device for drying of dispersed materials / A. G. Burdo, I. V. Bezbakh, Zykov A.V.; applicant and patentee of ONAHT. - № u 2014 10150, publ. 25.03.2015; Byul. № 6.
9. Burdo A. G. monitoring of food production - Odessa: Polygraph, 2008 -244 p.
88
Сведения об авторе:
Гаврилов Александр Викторович -кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры технологии и оборудования производства и переработки продукции животноводства Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», заместитель декана факультета механизации производства и технологии переработки сельскохозяйственной продукции Академии биоресурсов и природопользования по учебной работе, е-таД: [email protected], 295492, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского».
Information about the author:
Gavrilov Alexander Viktorovich -Candidate of Engineerings Sciences, Associate Professor, Associate Professor of department of technology and equipment of production and processing of products of stock-raising Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University», deputy of dean of faculty of mechanization of production and technology of processing of agricultural produce of the Academy of Life and Environmental Sciences, e-mail: tehfac@mail. ru, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University» 295492, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.
89
