Кинетические закономерности процесса сушки гречневой крупы перегретым паром в стационарном слое Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 531.1:542.47:633.12:62

Профессор В.М. Кравченко, магистр А.Ш. Рамазанова

(Воронеж, гос. ун-т инж. технол.) кафедра машин и аппаратов пищевых производств, тел. (473)55-38-96

Кинетические закономерности процесса сушки гречневой крупы перегретым паром в стационарном слое

Исследовали сушку гречневой крупы в стационарном слое перегретого пара атмосферного давления на экспериментальной сушильной установке. Процесс сушки проводился в различных интервалах температуры перегретого пара и влагосодержаниях. Получены экспериментальные кинетические зависимости скорости сушки и нагрузки на рабочую решетку. Выявлены факторы, влияющие на продолжительность сушки крупы. Получено критериальное уравнение интенсивности сушки гречневой крупы.

Study drying buckwheat held in a stationary bed of superheated steam at atmospheric pressure on a pilot dryer. The drying process was carried out at different intervals, temperature and moisture content of the superheated steam buckwheat. Experimental kinetic dependence of the rate of drying and the load on the working grid. The factors affecting the drying of cereals. Dimensionless equation obtained intensity drying buckwheat.

Ключевые слова: кинетика, сушка, перегретый пар.

Для исследования гидродинамики стационарного слоя гречневой крупы перегретым паром атмосферного давления использовалась экспериментальная установка (рис. 1). Она включает в себя опорные стойки 1, вентилятор 2, электродвигатель 3, заслонку 4 для регулирования скорости пара, пароперегреватель 5, патрубок 6 для ввода пара, переходник 7. К переходнику 7 приварена опора, на которой закреплен вибропровод 8 газораспределительной решетки 9, расположенной в рабочей камере 10. Загрузка гречневой крупы осуществляется ротационным питателем 11, а выгрузка - через камеру 12. В состав установки входят также регулирующий шибер 13, циркуляционный трубопровод 14 и окно 15, через которое производится удаления избытка отработанного теплоносителя.

Контрольно-измерительная система установки включает электронный ртутный термометр 16, и-образный манометр 17, диафрагму 18, потенциометр 19 и щит управления 20, на котором смонтированы приборы контроля и управления рабочей установки. В качестве парогенератора 21 используется автоклав марки АВ-2.

Пароперегреватель имеет форму параллелепипеда размером 500x500x300 мм. В его боковых стенках выполнены 16 отверстий, в которые вставлены восемь и-образных электронагревателей (ТЭНов) мощностью по 2 кВт.

Рабочая камера изготовлена из нержавеющей стали толщиной 3 мм и имеет форму параллелепипеда размером 500x120x450 мм. Для визуального наблюдения за процессом сушки камера снабжена дверью со встроенным термостойким стеклом. В рабочей камере находится газораспределительная решетка, в качестве которой использована сетка с квадратными отверстиями размером 2x2 мм.

©Кравченко В.М., Рамазанова А.Ш., 2014

Решетка закреплена на опорной рамке, которая соединена рычагом с вибропроводом. Место входа рычага в установку герметизировано термостойкой тканью, обеспечивающей минимальные потери пара в окружающую среду. Газораспределительная решетка установлена горизонтально и совершает колебания по вертикали.

Рис. 1 . Схема экспериментальной установки: 1-стойки; 2 - вентилятор; 3 - электродвигатель; 4 - заслонка; 5 - пароперегреватель; 6 - патрубок для отвода пара; 7 - переходник; 8 - вибропровод; 9- газораспределительная решетка; 10 - рабочая камера; 11 - ротационный питатель; 12 - камера выгрузки; 13- регулирующий шибер; 14 - рециркуляционный трубопровод; 15 - окно; 16 - термометр; 17 - и-образный монометр; 18 - диафрагма; 19 - потенциометр; 20 - щит управления; 21 - парогенератор

Подача гречневой крупы в рабочую камеру осуществляется при помощи ротационного питателя, который вращается прерывисто. Время между поворотами лопастей ротора регулируется с помощью реле времени, что позволяет изменять количество подаваемой в рабочую камеру гречневой крупы. Выгрузка материала производится периодически. Заданная удельная нагрузка на газораспределительную решетку поддерживается с помощью регулирующего шибера, установленного перед камерой выгрузки. Нагрузку на решетку определяли методом взвешивания продукта.

Отработанный перегретый пар по рециркуляционному трубопроводу направлялся в пароперегреватель и возвращался на сушку.

Для предотвращения уноса мелкой фракции материала на входе в рециркуляционный трубопровод установлена сетка с квадратными отверстиями размером 0,5x0,5 мм.

Система автоматического управления температурой перегретого пара на входе в рабочую камеру включает в себя электроконтактный ртутный термометр, универсальное реле марки «УКТ-4У2» и исполнительное устройство (электромагнитный пускатель марки ПМЕ 012-УЗВ). Показания температуры перегретого пара, подводимого в рабочую камеру, контролировали с помощью шеститочечного самопишущего потенциометра КСП-4. Датчиками измерения температуры служили хромель-копелевые термопары.

Измерение расхода пара осуществляется с помощью измерительной диафрагмы, установленной в рециркуляционном трубопроводе. Причем для уменьшения влияния турбулентности потока теплоносителя на показания его расхода длина прямого участка перед диафрагмой была больше шести диаметров трубопровода.

Диафрагма соединена с двумя монометрами типа ТНМП-52, измеряющими перепад давления в диапазоне от - 2 до + 2 кПа.

Гидравлическое сопротивление слоя материала измеряли и-образным манометром с точностью ± 1 мм водяного столба.

Экспериментальная установка позволяет получать температуру перегретого пара на выходе из пароперегревателя до 473 К. Скорость пара в рабочей камере можно изменять от 0,5 до 5 м/с.

Причиной интенсификации процесса сушки круп в стационарном слое перегретым паром является быстрый прогрев крупы до температуры насыщения Т=373 К. Это обусловлено конденсацией пара на поверхности крупинок, вследствие их относительно низкой начальной температуры.

Как показывает анализ кривых сушки и скорости сушки процесс состоит из периода прогрева, постоянной и убывающей скорости сушки. Период прогрева характеризуется увеличением влагосодержания крупы за счет конденсации пара. Это заканчивается при температуре верхних слоев конденсатной пленки Тч = 373 К. Максимальное приращение влагосодержания крупы составляет 0,03 кг/кг. Величина этого приращения зависит от начальной температуры загружаемой крупы, от температуры перегретого пара, его скорости движения через слой крупы, от размеров крупинок. Вследствие невысокого начального влагосодержания крупы по сравнению с высоковлажными продуктами (жом, картофель, морковь, свекла столовая и др.) происходит перераспределение влаги конденсата внутрь крупинки и в целом по слою под действием термодинамических потенциалов, направленных от поверхности внутрь крупинки. Как показывает анализ периода прогрева продолжительность конденсации пара незначительна и не превышает 60 с, значительных изменений под влиянием влаги и температуры не происходит, поэтому влияния на качество готового продукта период конденсации не оказывает.

Важным параметром периода прогрева является величина избыточного влагосодержания:

Ай= иГпах - О и, и продолжительность этого периода То.

Избыточное влагосодержание определяется параметрами перегретого пара. При сушке гречневой крупы изменение температуры перегретого пара в интервале

413...443 К уменьшает величину избыточного влагосодержания с 5 до 1,5 %от первоначальной массы крупы. С увеличением скорости перегретого пара в интервале

0,6... 1,2 м/с избыточное влагосодержание уменьшается в 7,5 раз. При увеличении начального влагосодержания в интервале 0,35...0,45 кг/кг избыточное влагосодержание увеличивается в 2,7 раза.

Продолжительность периода прогрева определяется технологическими параметрами. При сушке гречневой крупы с удельной нагрузкой д = 20 кг/м2 увеличение влагосодержания с 0,35...0,45 кг/кг повышает время прогрева крупы в 2,2 раза, а увеличение удельной нагрузки с 14 до 28 кг/м2 при влагосодержании 0,4 кг/кг почти в 1,3 раза. Повышение температуры перегретого пара снижает продолжительность периода прогрева в 2,7 раза. Еще больше влияние на продолжительность периода прогрева оказывает скорость движения пара через поровые каналы стационарного слоя круп. В интервале изменения скорости перегретого пара

0,6... 1,2 м/с продолжительность периода прогрева уменьшается в 8,5 раза (рис. 2,3)

Период постоянной скорости сушки начинается после окончания конденсации перегретого пара, протекает при температуре 373 К, и не зависит от температуры перегретого параю Характеризуется тем, что за равные промежутки времени из материала удаляется равное количество влаги:

и (т) = и„ - N..

и.

кг/кг I 0,4

0,3

02

0,1

к. 4

ч, \ \\. 3

ч —Р Ч л \Ч/ 2 ^ 1

/; £ 1

1 20 2 ' \ 4 40 3 3 60 4 2 80 |,о

23,8 сіи/сІИО3, кг/(кг«с) 20,4 и. кг/кг 0,4

17,0 0,3

13,6 02

Ю2 0,1

6,8 0

Рис. 2. Кривые сушки и скорости сушки гречневой крупы при различных скоростях перегретого пара, м/с; 1 — 0,6; 2 -0,8; 3 -1,0; 4 -1,2; 5 7//=433 К

\

X

/

120 240 360 480

<Ш/сИ.

кг/(кг*с)

0,020

0,017

0,016

0,0Ю

0,0068

Рис. 3. Кривые сушки и скорости сушки гречневой крупы при начальном влагосодержании, кг/кг: и - 0,35; Т= 443 К; V = 0,6 м/с

Он продолжается до первого критического влагосодержания, величина которого зависит от технологических параметров процесса и может быть записана в виде линейной функции от скорости сушки:

С/крит ~а + Ь/V.

где а и Ь - эмпирические коэффициенты (для гречневой - а = 0,186, Ь= 0,062).

Для определения скорости сушки в этом периоде можно использовать корреляционную зависимость:

N = В(Тп - Т3)а - Рс-^1:и~тн,

где В, а, с, с1 т - эмпирические коэффициенты.

Значение эмпирических коэффициентов уравнения гречневой крупы: В = 6,57, а = =1,10, с = 1,35, d = - 2,78, т = 3,20.

Формула справедлива в интервалах параметров: Тп = 403...463 К; V = 0,6... 2,6 м/с;[/„= 0,3...0,45 кг/кг; #1(= (0,2...2,0)10"2 м.

Зная скорость сушки постоянного периода и первое критическое влагосо держание крупы можно определить среднюю продолжительность:

г 1 = (и„1 - икрнт) / N.

Интенсивность испарения влаги в период постоянной скорости сушки увеличивается до достижения крупой критического влагосодержания и обусловлено тем, что все подведенное тепло перегретого пара затрачивается на испарение влаги (рис. 4):

41 = (г ро -Яу Ю/100.

Среднеквадратичное отклонение при расчетах по этой зависимости не превышало ± 3,5 %. Значения относительно коэффициента сушки и показателя степени при различных режимах сушки: Тп = 423, V,, = 0,6-1,8; с{ = 24; х = 2,851; п = 0,572;

Одним из факторов, лимитирующих продолжительность сушки крупы, является предельно допустимая температура нагрева. Знание характера изменения средней температуры продукта имеет важное значение не только для организации наиболее эффективного процесса сушки с целью его интенсификации, но и для

обеспечения требуемого качества. Среднеобъемную температуру слоя крупы в этом периоде процесса сушки можно рассчитать по уравнению:

Т = Тг, 1 -

-к+1

/с+1 ин

Среднеквадратичное отклонение расчетных данных от экспериментальных не превышало ±2,5 %.

Т, К 398

373

348

2 3 гч\

Л • ч

I

С ,1 о ,2 С ,3 и, к

О

Рис. 4. Температурные кривые гречневой крупы при скоростях пара, м/с: 1-0,6;

2-0,8; 3-1,0; Тп = 423 К; д = 24 кг/м2

Если температурные кривые Т=/(и) в периоде убывающей скорости сушки представить, в координатах 1д(Тп-Т) = f]\.g(u), то тангенс угла наклона этой прямой численно равен ^ср=(1 +к), а отрезок прямой, отложенный на оси ординат, равен аТп / (к+1)ин.

Обработка опытных данных позволила определить постоянную а и коэффициент к: для гречневой - к = -0,26, а = 0,5783 - 0,0011 Тп.

Анализ показывает, что коэффициент к не зависит от режима сушки и является постоянной величиной для каждого вида крупы, а коэффициент а является функцией температуры перегретого пара.

При конденсации пара на поверхности крупинок слоя образуется пленка влаги. Вся теплота, выделившаяся в процессе конденсации, должна пройти к поверхности крупинки через эту пленку конденсата. Перенос теплоты осуществляется путем теплопроводности:

Я

Чх = д Тя - Тт .

С другой стороны, количество переданной теплоты можно определить по формуле Ньютона:

Чх = &х(Тз Гм).

Из сопоставления формул получим:

Я = ?

Для расчета коэффициента теплоотдачи между поверхностью продукта и пленкой конденсата было использовано уравнение Нуссельта, которое после ряда преобразований, учитывающих особенности теплообмена в периоде прогрева, имеет следующий вид:

а* = 0,36

4 У-нЪкРжГ Гм)/14Дж

В качестве определяющей принимали температуру насыщения ТУ„ При выводе уравнения считали, что движение конденсата на поверхности крупинки и трение пара о конденсат отсутствуют, конвективный перенос теплоты в конденсатной пленке и теплопроводность вдоль нее малы по сравнению с теплопроводностью поперек пленки конденсата. Разброс опытных точек относительно зависимости не превышает ± 11 %. Отклонение расчетных значений а* от действительных в вышеуказанных пределах происходит из-за влияния поверхностных эффектов. Однако однозначный учет последних весьма затруднен. В данном случае, по-видимому, возможна только примерная оценка, основанная на влиянии состояния материала и его поверхности на интенсивность теплообмена.

Ввиду постоянства температуры крупы в периоде постоянной скорости сушки все количество теплоты, переданное материалу, идет на испарение. В этом случае интенсивность теплообмена в период постоянной скорости при конвективной сушке перегретым паром соответствует:

Максимальная интенсивность сушки достигается при первом критическом влагосодержании, которая при сушке перегретым паром наступает при более низких значениях влагосодержания по сравнению с сушкой воздухом. Снижение С/крит обусловливается более высокой температурой прогрева гречневой крупы, повышающей коэффициент потенциалопроводности. Интенсификация внутреннего влаго-переноса и вовлечение в процесс испарения влаги, содержащейся во внутренних слоях продукта, приводит к росту ф. Такое увеличение интенсивности сушки обусловлено характером изменения коэффициента теплообмена.

Обработка экспериментальных данных позволила получить критериальное уравнение:

где значение £) и показателей степеней п иг для гречневой крупы: Б = 1,70, п = 0,72, г = -1,58.

При выводе уравнения было принято равенство поверхностной температуры крупы температуре насыщения. Физические коэффициенты в критериях подобия рассчитывались по средней арифметической температуре пограничного слоя.

Уравнение справедливо для интервала изменения чисел Рейнольдса Кеэ = 480... .3187 (и = 0,6...2,6 м/с) и температурного симплекса (Тп/Т5,) = 1,3...1,9. Среднеквадратичное отклонение опытных точек не превышало ±12,3 %.

Проведенные исследования показали снижение коэффициента теплообмена а с уменьшением начального влагосодержания при постоянных значениях числа Рейнольдса Ие э и удельной нагрузки крупы на решетку.

Так, при начальном влагосодержании С7Н гречневой крупы 0,45; 0,40; 0,35 кг/кг коэффициенты теплообмена равнялись 28,4; 22,3; 17,5 Вт/(м2-К).

В результате того что уже в этом периоде крупа имеет температуру около 373 К, скорость превращения влаги в пар становится настолько большой, что начинает превышать скорость отвода влаги с поверхности продукта.

В ходе перемещения к поверхности поток пара увлекает с собой частицы влаги, которые выносятся из продукта в среду перегретого пара, где происходит их объемное испарение. В свою очередь интенсификация теплообмена при наличии молярного массопереноса пара способствует росту коэффициента массообмена.

Яі = г ■ р0 ■ Я* ■ N / 100 = а^Тп - Тя").

N11 = ОКе^Рг0,33 (Тп Т5У ,

Интенсификация сушки в течение этого периода приводит к испарению

35...43 % всей выделяемой влаги, а его продолжительность составляет 35...50 % от общего времени сушки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Остриков, А. Н. Разработка многофункционального аппарата для комплексной обработки пищевых продуктов [Текст] / А.Н. Остриков, Г. В. Калашников, В. М. Калабухов // Техника машиностроения. - 2002. - № 4 - С. 94-97.

2. Остриков, А. Н. Кинетика процесса влаготепловой обработки круп при производстве пищевых концентратов [Текст] / А.Н. Остриков, Г. В. Калашников, В. М. Калабухов / / Доклады РАСХН. - 2003. - № 1. - С. 51-55.

REFERENCES

1. Ostrikov, A.N. Development MFP integrated food processing / A.N. Ostrikov, G.V. Kalashnikov, V.M. Kalabuhov // Machinery engineering. - 2002. - № 4 - S. 94-97.

2. Ostrikov, A.N. Kinetics of moisture-heat processing of cereals in food concentrates / A.N. Ostrikov, G.V. Kalashnikov, V.M. Kalabuhov // Reports of the RAAS. -2003. -№ 1. - S. 51-55.