Исследование теплофизических характеристик зерна гречихи, высушенного в аппарате с закрученным потоком теплоносителя Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ПРОДОВОЛЬСТВЕННОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ

УДК 66.047.4/.6 DOI 10.24411/2311-6447-2020-10035

Исследование теплофизических характеристик зерна гречихи, высушенного в аппарате с закрученным потоком теплоносителя

Investigation of thermophysical characteristics of buckwheat grain, dried in a device with a swirling flow of coolant

Профессор А.В. Журавлев (ORCID 0000-000l-9272-939x), доцент И.Н. Сухарев (ORCID 0000-0002-1221-4255), студент A.A. Шишкин, студент А.Д. Стрижков (Воронежский государственный университет инженерных технологий) кафедра машин и аппаратов пищевых производств, тел. 8-920-215-21-65 E-mail: i.suxarev@vandex.ru

Коммерческий директор А.Ю. Баранов (ИП Литвинов К.В.)

Professor A.V. Zhuravlev, Associate Professor I.N. Sukharev, Student A.A. Shishkin, Student A.D. Strizhkov

(Voronezh state University of engineering technologies) chair of machines and apparatus of food production, tel. 8-920-215-21-65 E-mail: i.suxarev@yandex.ru

Commercial Director A. Yu. Baranov (Litvinov К. V.)

Реферат. Гречиха одна из важных сельскохозяйственных культур, являющаяся незаменимым продуктом питания. Гречневая крупа имеет высокие вкусовые качества, питательна, хорошо усваивается. Гречневую крупу относят к числу лучших диетических продуктов. Кроме того, гречиха является хорошим медоносом, а высокая усвояющая способность ее корневой системы повышает плодородие почвы. Сушка зерна гречихи является одной из важнейших стадий подготовки данного сырья к последующему процессу его переработки. От режима сушки зависят пищевая ценность и качественные показатели готовой продукции, являющиеся результатом структурно-механических, биологических и физико-механических преобразований веществ. Технологические режимы сушки зерна гречихи зависят от содержания в них воды и оказывают существенное влияние на изменение углеводов, денатурацию белка, окисление лнпидов, изменения витаминов и органических кислот. Сушка гречихи осуществляется в настоящее время в сушильных установках для зерновых культур (шахтные, барабанные и пр.), характеризуется низкой эффективностью из-за невозможности обеспечения постоянного полного контакта поверхности гречихи с теплоносителем. При рассмотрении основных направлений совершенствования процесса сушки дисперсных продуктов нами был сделан вывод о том, что качественная и эффективная сушка гречихи может быть реализована только при использовании аппаратов с активным гидродинамическим режимом, существующим в аппаратах с закрученным потоком теплоносителя.

Summary. One of the main directions of technical progress in all industries without exception is the improvement of technological processes by increasing their efficiency. Buckwheat is one of the most important agricultural crops, which is an indispensable food product. Buckwheat has high taste qualities, is nutritious, and is well digested. Buckwheat is considered one of the best dietary products. In addition, buckwheat is a good honey plant, and the high assimilation capacity of its root system helps to increase soil fertility. Drying of buckwheat grain is one of the most important stages of preparation of this raw material for the subsequent process of its processing. The food value and quality indicators of the finished

©Журавлев A.B., Сухарев И.Н., Баранов А.Ю., Шишкин A.A., Стрижков А.Д., 2020

product, which are the result of structural-mechanical, biological and physical-mechanical transformations of substances, depend on the drying mode. Technological modes of drying buckwheat grains depend on their water content and have a significant impact on changes in carbohydrates, protein denatura-tion, lipid oxidation, changes in vitamins and organic acids. Drying of buckwheat is currently carried out in drying plants for grain crops (mine, drum, etc.) is characterized by low efficiency due to the inability to ensure constant full contact of the surface of buckwheat with the coolant. When considering the main directions for improving the drying process of dispersed products, we concluded that high-quality and effective drying of buckwheat can be realized only when using devices using the active hydrodynamic mode that exists in devices with a swirling flow of coolant.

Ключевые слова: зерно гречихи, закрученный поток теплоносителя, теплофизическне характеристики, теплопроводность, удельная теплоемкость, температуропроводность.

Keywords: buckwheat grain, swirling coolant flow, thermal characteristics, thermal conductivity, specific heat capacity, thermal conductivity.

Сушка гречихи - сложная и специфическая задача из-за работы в интервале от 22 до 14 % влажности. Значительная часть влаги содержится в поверхносных слоях семени в свободном виде. Конечная влажность с максимальным разбросом ее по объему продукта должна быть не более 1 %. При этом к высушиваемому продукту как к исходному сырью для создания лечебных препаратов, функциональных продуктов питания и кормов предъявляются более высокие требования по качеству (сохраняемость полезных веществ и витаминов) по сравнению с соответствующими требованиями, предъявляемыми к обычным пищевым продуктам, в том числе к традиционной зерновой и зернобобовой продукции.

Необходимо разработать новый способ сушки гречихи, который позволит интенсифицировать процесс сушки, снизить энергозатраты на проведение процесса и обеспечить высокое качество высушиваемого продукта. В области внешнего вла-гообмена интенсифицировать процесс можно путем повышения температуры и скорости агента сушки, а также увеличения активной площади поверхности зерен, участвующей в процессе тепло- и влагообмена с агентом сушки. Для этого применяются сушильные аппараты со взвешенным слоем материала с различной гидродинамикой, которая определяет время пребывания высушиваемого материала в аппарате, допустимую температуру сушильного агента, интенсивность протекания процессов тепло- и массообмена, энергетические затраты на сушку. Использование активных гидродинамических режимов позволяет существенно интенсифицировать процесс сушки без снижения экономической эффективности, обеспечить высокое качество готового продукта, полную безопасность и технологичность процесса [1, 2].

Можно сделать вывод о том, что эффективную и качественную сушку гречихи можно осуществить в тепломассообменных аппаратах с активным гидродинамическим режимом, что обеспечит высокую скорость нагрева семян и небольшую продолжительность процесса обезвоживания. Это, в свою очередь, сократит длительность воздействия на продукт повышенных температур и сохранит питательную и биологическую ценности, в частности термолабильные витамины, т.е. повысит качество готового продукта.

При движении дисперсного материала в аппаратах с активным гидродинамическим режимом происходит непрерывное взаимодействие частиц друг с другом и со стенкой сушилки, что приводит к увеличению относительной скорости движения взаимодействующих фаз, времени пребывания материала в аппарате, повышению концентрации твердой фазы [1, 2, 6, 8]. Особенно сильно взаимодействие между частицами при полидисперсном составе высушиваемого материала [3]. Это создает благоприятные условия для интенсификации тепло- и массообмена и повышения эффективности процесса сушки.

Для исследования тепло физических характеристик гречихи нами была спроектирована и изготовлена экспериментальная сушильная установка с регулируемым закрученно-фонтанирующим потоком дисперного материала (рис. 1).

Установка состоит из патрубка для подвода влажного продукта 1, цилиндрической обечайки 2 с окнами для выхода высушенного продукта и отработанного теплоносителя, конусного днища 3, крышки 4, которые в совокупности составляют сушильную камеру, патрубка 5 для подачи осевого потока Теплоносителя, на котором установлен завихритель б. Патрубок 7 для подачи тангенциального потока теплоносителя служит для регулирования закрученности потока, решетка 8 предназначена для предотвращения попадания частиц материала в воздуховод. В верхней части цилиндрической обечайки 2 к окнам прикреплен патрубок 9 для отвода высушенного материала и отработанного теплоносителя [7].

Экспериментальная установка снабжена приборами и устройствам для управления и контроля за технологическими параметрами процесса. Заданная температура теплоносителя, подводимого в камеру 1, поддерживается автоматически с помощью Одноканальных ПИД регуляторов измерителей ОВЕН ТРМ10 (рис. 2) и трехфазным твердотельным реле ЮРРИВСЖ 40А (рис. 3). Температура отработанного теплоносителя измеряется многофункциональным прибором ЭКУ^Л/АТСН АТМОЭ (рис. 4).

ЕЬажньй продукт

I

еихрителъ; 3 - удерживающая решетка; 4 - осевой патрубок для подачи теплоносителя; 5 - тангенциальный патрубок для подачи теплоносителя; б, 8 - калориферы; 7,9- вентиляторы; 10 - щит управления; 11, 12 - частотные преобразователи для регулирования подачи вентиляторов; 13 - электрический счетчик; 14, 15 - регуляторы температуры в ка,яо-риферах; 16 - дифференциальный манометр

Контроль относительной влажности теплоносителя на выходе из сушильной камеры осуществляется многофункциональным прибором ЭКУШАТСН АТМОЭ (рис. 4).

Рис. 2. Терморигуля- Рис. 3. Твердотелъ- Рис. 4. Многофункци- Рис. 5. Частотными

тор ОВЕН ТРМ10 ное реле ШРРШВОИ опальный прибор преобразователями

БКУШАТСН АТМОБ Веспер

Измерение скорости воздуха на входе и выходе из сушильной камеры производилось многофункциональным прибором SKYWATCH ATMOS Регулирование расхода воздуха осуществляется частотными преобразователями Веспер Е2-8300 (рис. 5) путем изменения частоты вращения вентилятора.

Гречиха высушивалась в коническо-цилиндрической камере в нижней части (рис. 6), у меньшего основания которой установлен завихритель и выполнено цилиндрическое кольцо, к которому тангенциально (по касательной) подключен патрубок для подвода закручивающего потока теплоносителя. Конструктивные размеры камеры менялись с помощью различных конических вставок разного размера: внутренний диаметр нижнего основания конуса - изменяется от 50 до 150 мм, внутренний диаметр цилиндрической части - 300 мм, высота цилиндрической части - 200 мм, высота конической части 200 мм, внутренний диаметр тангенциального патрубка - 30 мм [7].

о

Рис. 6. Конфигурация сушильной камеры

Для выполнения тепловых расчетов сушильных аппаратов необходимо знать тепловые характеристики (теплопроводность, температуропроводность, теплоемкость) высушиваемых материалов, от которых зависит выбор рационального метода и режима сушки материала. Так, решение вопроса о возможности применения для сушки конкретного продукта аппаратов с активными гидродинамическими режимами зависит не только от диффузионного сопротивления, определяемого внутренней пористой структурой материала, но и от его способности воспринимать необходимое для сушки количество теплоты. Тепловые характеристики необходимо знать при обработке результатов экспериментальных исследований процессов тепло- и массообмена, определении механизма переноса теплоты во влажном материале, анализе форм и видов связи влаги с материалом и т. д. [4].

Исследования теплофизических характеристик гречихи проводили на экспериментальном стенде (рис. 7). На стенде имеется общий выключатель 1, промежуточный тумблер 2 для подачи напряжения на потенциометр 3, который включается двумя тумблерами, находящимися за дверкой потенциометра. На передней панели стенда закреплен эталон 6 с известными теплофизическими характеристиками, на который помещается образец пищевого продукта 8, а также установлена греющая поверхности 10 с возможностью перемещаться в вертикальном положении. Рядом со стендом установлен ультратермостат 14, обеспечивающий постоянную температуру греющей поверхности 10. Ультратермостат 14 включается вертикальным ползунком 12. Кнопкой 13 включается насос, подающий горячую воду к греющей поверхности. Вода нагревается ТЭНом, который управляется ползунком 15. Температура воды регулируется электроконтактным термометром 11, который автоматически поддерживает ее постоянное значение, что обеспечивает постоянный поток теплогреющей поверхности.

Рис. 7. Эксперимента.п.ъный стенд

В греющей поверхности 10 установлена термопара 9, подключенная к потенциометру 3 и показывающая температуру греющей поверхности. В плоскости соприкосновения пищевого продукта и эталона установлен шарик 7 дифференциальной термопары, второй шарик 5 этой термопары установлен на противоположном конце эталона, являющегося полуограниченным стержнем системы двух тел -эталон и ограниченным стержнем - пищевой продукт. Эта система образуется после присоединения греющей поверхности сверху к пищевому продукту.

Начальная стадия охватывает малые промежутки времени, характеризуемые числом Фурье Ко < 0,55 [5]. Эксперимент, основанный на теории этой стадии теплопроводности, является непродолжительным. При этом исключается влияние эффекта термовлагопроводности на исследуемые тепловые свойства. Задача сводится к совместному решению дифференциальных уравнений теплопроводности для одномерного потока:

- для исследуемого материала:

ат^г) д%(х,т)

дт

= а

аг

(о <.*</?)

(1)

- для эталона:

дТ3(х,т) дТ3(х,т) ,

—т-1 = аэ—Т2 (h<*<oo)

дт ' дх

(2)

где х - текущая координата; h - высота слоя исследуемого материала; t - любой момент времени; Тм - температура исследуемого материала, К; Тэ - температура эталона, К.

Начальные и граничные условия этой задачи выражаются следующей системой уравнений:

ТАГ(х,0) = Тэ(х,0) = Т0 ТК1(Кт) = Т,(Кт)

дтИ(Кт)_ д?тэ(Кг) (3)

■'Чу о

дх ' дх

Тм (0, г) = Тн - const

Гэ(оо,г) = Г0

где Тн - температура нагревателя, К;

То - температура исследуемого образца и эталона в начальный момент времени, К.

Для температуры Т в месте стыка образца и эталона (когда х = /г) решение уравнений (1), (2) с учетом (3) дается в виде бесконечного ряда:

Т

— =(!+<*)■ \_erfc\v) - а ■ еф (Зу) +...]

^ н

где:

= А/ ■ V^g ~ К ■ У«л/ v _ h

• + А, • <JocM 2 у/а-т

erfc(y) = 1 - tr/'(v)

erf {v) = — \e ; •dy - интеграл вероятности Гаусса.

Для малых значений i решение уравнения ограничивается первым членом ряда. В этом случае решение имеет вид:

-L = (l + a)-[\-erfc(y)] 1 н

При проведении исследований начальная температура продукта и эталона в течение всего опыта поддерживалась постоянной. Эталон 6 сечением 70'70 мм и длиной 150 мм изготовлен из органического стекла и имеет следующие характеристики: аэ =15,7 м2/с, У=0,1839 Вт/мхК, сэ = 10,88 Дж/кгхК, гэ = 1075 кг/мз.

Данный метод заключается в исследовании ограниченного (пищевой продукт) и полуограниченного (эталон) тел, которые приводятся в соприкосновение по одной общей плоскости. Нагреватель, нагретый до постоянной температуры, приведен в соприкосновение с продуктом и передает постоянный поток теплоты, который проходит через толщину пищевого продукта с различной скоростью. В результате температура в плоскости соприкосновения пищевого продукта с эталоном изменяется и записывается на диаграмме потенциометра в виде кривой, по которой можно определить время и изменение температуры.

Температуропроводность и теплопроводность определяются по эмпирическим формулам, полученным из решения системы дифференциальных уравнений, составленных для данной системы двух тел, в одно из которых входят неизвестные теплофизические характеристики. Относительно этих характеристик решается система уравнений, включающая параметры проведенного опыта. Так как исследуемые два тела соприкасаются по одной общей плоскости, то по принципам математической физики можно составить два дифференциальных уравнения с едиными начальными и граничными условиями первого рода, обусловленных параметрами проводимого опыта.

Теплопроводность 1М (Вт/(мхК)) исследуемых образцов зерна гречихи определяется но эмпирической формуле:

1+МК

где 1М, ам - температуропроводность образца исследуемого пищевого продукта; 1Э = 0,184 Вт/(мхК), Ом = 15,7x10 ~8 м2/с - соответственно теплопроводность и температуропроводность эталона; И - вспомогательная величина, определяемая по формуле:

Г

И = -Р---- 1

где - температзфа в плоскости соприкосновения образца продукта и эталона, определяемая по полученной диаграмме, °С; ЬР - температура греющей поверхно-

_гг

сти, определяемая по полученной диаграмме аналогично, °С; Ф( ~ ) - функция Гаусса.

Удельная теплоемкость пищевого продукта (Дж/(кгхК)) определяется по зависимости:

где гм - плотность зерна гречихи, кг/м3.

Значения коэффициентов температуропроводности, теплопроводности и удельной теплоемкости в интервале температур 293...393 К для образцов зерна гречихи влагосодержанием 10... 150 % приведены в приложении. Относительные погрешности определения а и А не превышали 1 %. Результаты обработки экспериментов представлены на рис. 8-11.

___ %

Рис. 8 - Зависимость коэффициента теплопроводности А, от влажности, К: 1 - Т=353; 2 - Т=333; 3 - Т=313; 4 - Т=293

о -1 о -2 • -3 С -4 д -5

О 293 303 313 323 333 343 353 363 К

Т

Рис. 9. Зависимость коэффициента теплопроводности А от температуры, %: 1 - \¥=22; 2- Ш =20; 3- Ц/=18; 4- Ш =15; 5- УГ =13

Ю 12

20 22 24

%

Рис. 10 Зависимость коэффициента температуропроводности а от влажности, К: 1 - Т=353; 2 - Т=333; 3 - Т=313; 4 - Т=293.

к

т

Рис. 11 Зависимость коэффициента температуропроводности а'108 от температуры, %: 1 - Ш=22; 2-Ш =20; 3 - Ш =18; 4 - Ш =15; 5 - Ш =13

Из рис. 8-11 видно, что при увеличении температуры, коэффициент температуропроводности а, коэффициент теплопроводности А и удельная теплоемкость с монотонно возрастают. В ходе обработки полученных данных выявлено, что тепло-физические характеристики (коэффициент температуропроводности, коэффициент теплопроводности и удельная теплоемкость) имеют линейный характер. С увеличением температуры значение коэффициента температуропроводности снижается, а коэффициент теплопроводности и удельной теплоемкости возрастает, что подтверждается при подстановке полученных значений в уравнение (4).

ЛИТЕРАТУРА

1. Алимов, Р. 3. Интенсификация конвективного тепломассообмена в трубах с помощью завихренного двухфазного потока [Текст] / Р. 3. Алимов // Изв. АН СССР. ОТН. Энергетика и автоматика. - 1962. - № 1.

2. Антипов, С. Т. Сушка пивной дробины в аппарате с закрученным потоком фаз [Текст] / С. Т. Антипов, В. Е. Добромиров, А. В. Прибытков; Воронеж, гос. тех-нол. акад. - Воронеж, 2005. - 164 с.

3. Бахвалов, Н. С. Численные методы [Текст] / Н. С. Бахвалов. - М. : Бином, 2010. - 636 с.

4. Войновский, А. А. Оценка эффективности энергопотребления су-шильного оборудования [Текст] : автореф. дис. ... канд. техн. наук [Текст] / Войновский А. А. -М., 2005.-17 с.

5. Журавлев, А. В. Сушильная камера с активным гидродинамическим режимом [Текст] / А. В. Журавлев / / Сборник научных трудов "Модернизация существующего и разработка новых видов оборудования для пищевой промышленности" / Воронеж, гос. технол. акад. - Воронеж, 2004. - С. 28-30.

6. Разработка высокоинтенсивной сушилки с регулируемым закрученным потоком теплоносителя Текст] / С. Т. Антипов, А.В. Журавлев, А. В. Бородкина, А. Ю. Баранов / / Научно - теоретический журнал «Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий», Сер. : Процессы и аппараты пищевых производств. - 2013. - № 4. - С. 47-49

7. Исследование форм связи влаги в семенах амаранта сорта Ультра методом дифференциально-термического анализа [Текст] / С.Т. Антипов, А.В. Журавлев, И.В. Кузнецова, И.М. Черноусов, А.Ю. Баранов // Хранение и переработка сельхоз-сырья. 2010. № 8. С. 40-41.

8. Теоретические основы теплотехнических процессов зерноперерабатываю-щих производств [Текст] : учеб. пособие / Г. Г. Странадко, А. А. Шевцов, Л. И. Лыт-кина, В. А. Дятлов; Воронеж, гос. технол. акад.- Воронеж : ВГТА, 2005. - 256 с.

REFERENCE

1. Alimov, R. Z. Intensification of convective heat and mass transfer in pipes using a swirling two-phase flow [Text] / R. Z. Alimov / / Izv. USSR ACADEMY OF SCIENCES. REL. Energy and automation. - 1962. - No. 1.

2. Antipov, S. T. Drying beer pellets in a device with a swirling flow of phases [Text] / S. T. Antipov, V. E. Dobromirov, A.V. Pribytkov; Voronezh, state technol. Acad.

- Voronezh, 2005. - 164 p.

3. Bakhvalov, N. S. Numerical methods [Text] / N. S. Bakhvalov. - Moscow: Binom, 2010. - 636 p.

4. Voynovskiy, A. A. Assessment of efficiency of the su-Shilen equipment [Text] : author, dis. ... Cand. Techn. Sciences [Text] / voynovsky A. A.-M., 2005. -17 s.

5. Zhuravlev, A.V. Drying chamber with active hydrodynamic mode [Text] / A.V. Zhuravlev / / Collection of scientific papers " Modernization of existing and development of new types of equipment for the food industry" / Voronezh, state technol. Acad.

- Voronezh, 2004. - Pp. 28-30.

6. Development of a high-intensity dryer with a controlled swirling flow of coolant Text] / S. T. Antipov, A.V. Zhuravlev, A.V. Borodkina, A. Yu. Baranov / / Scientific and theoretical journal "Bulletin of the Voronezh state University of engineering technologies", Ser. : Processes and devices of food production. - 2013. - No. 4. - Pp. 47-49

7. Investigation of moisture bond forms in Ultra amaranth seeds by differential thermal analysis [Text] / S. T. Antipov, A.V. Zhuravlev, I. V. Kuznetsova, I. M. Cher-nousov, A. Yu. Baranov / / Storage and processing of agricultural raw materials. 2010. No. 8. Pp. 40-41.

8. Theoretical bases of heat engineering processes of grain processing industries [Text]: studies. Handbook / G. G. Stranadko, A. A. Shevtsov, L. I. Lytkina, V. A. Dyat-lov; Voronezh, state technol. Acad.- Voronezh: vgta, 2005. - 256 p.