CC BY
35
УДК 664.8.047:536.24
О. А. Петровичев, Ю. А. Максименко, С. В. Синяк, Л. Х.-А. Саипова
КРИТЕРИАЛЬНОЕ УРАВНЕНИЕ ПРОЦЕССА АКУСТИЧЕСКОГО РАСПЫЛЕНИЯ ЖИДКИХ И ПАСТООБРАЗНЫ1Х ПИЩЕВЫ1Х ПРОДУКТОВ
Представлены результаты комплекса экспериментально-аналитических исследований процесса акустического распыления жидких и пастообразных пищевых продуктов. Установлено, что определяющим фактором при разработке режима обезвоживания и конструктивных особенностей сушилки является выбор рационального устройства для распыления и оптимальных параметров его работы. Рекомендовано при небольших габаритных размерах распылительных сушилок в малогабаритных производствах (при ограничении производственных объемов и площадей) в качестве распылительных устройств использовать акустические форсунки. Анализ научно-технической литературы показал, что наиболее перспективны форсунки со струйным излучателем, обеспечивающие распыление значительных количеств жидкости при малых давлениях подачи. Получено критериальное уравнение процесса распыления, которое рекомендовано использовать для рационального проектирования распылительных сушильных установок, определения геометрических характеристики сушилок и параметров распылительного устройства. Приведены коэффициенты критериального уравнения для описания процессов распыления пектинового экстракта, яблочного сока и гомогенизированного пюре из тыквы и кабачка. Результаты исследований позволяют определить рациональные режимы распыления и обезвоживания различных продуктов для организации процессов переработки пищевого сырья, а также рассчитать коэффициенты критериального уравнения для других объектов переработки и расширения области использования полученного уравнения.
Ключевые слова: сушильная техника, распыление, распылительная сушка, критериальное уравнение распыления, сушка жидких и пастообразных продуктов.
Введение
Техника распылительной сушки жидких и пастообразных продуктов активно внедряется в технологии переработки пищевого сырья [1, 2]. Процессы распыления сложны для математического описания. Функциональные математические зависимости, описывающие процессы распыления различных пищевых продуктов, могут быть установлены лишь в ходе продолжительных и сложных по организации экспериментальных исследований.
Теория подобия позволяет распространить данные единичного опыта на определенную группу подобных процессов в пределах рассматриваемого класса путем особого способа задания условий однозначности, что дает возможность переносить опытные данные с модели на подобный промышленный объект.
Обоснование способа распыления
Для оптимизации процесса распылительной сушки очевидна необходимость выбора рационального способа подачи продукта в сушильную камеру и конструкций для его осуществления. Определяющим при разработке режима обезвоживания и конструктивных особенностей сушилки является выбор рационального устройства для распыления и оптимальных параметров его работы.
При небольших габаритных размерах распылительных сушилок (в малогабаритных производствах при ограничении производственных объемов и площадей) одним из рациональных распылительных устройств являются акустические форсунки, работу которых, ввиду сложности конструкции и многообразия влияющих факторов, высокого гидродинамического сопротивления, резко зависящего от конструкции распылителя и расходных характеристик, корректно оптимизировать можно только экспериментально.
Все акустические форсунки отличаются типом генератора акустических колебаний и делятся на пять основных групп: форсунки без стержней; со струйным излучателем Гартмана; со статическим или динамическим генератором; с вихревым генератором.
На основе анализа научно-технической литературы сделан вывод, что наиболее перспективны форсунки со струйным излучателем Гартмана (газоструйные форсунки), обеспечивающие распыление значительных количеств жидкости при малых значениях давления подачи. Они
характеризуются широким диапазоном регулирования производительности, высокой интенсивностью акустических колебаний, высоким КПД генератора, простотой конструкции и надежностью в эксплуатации.
Критериальное уравнение акустического распыления
Теория подобия применяется при изучении сложных процессов и дает возможность получать критериальные уравнения, описывающие эти процессы. Метод анализа размерностей позволяет из общей функциональной зависимости вида получить критериальное уравнение, описывающее изучаемый процесс. Число критериев, входящих в искомое критериальное уравнение исследуемого процесса, можно найти по установленной общей функциональной зависимости при помощи п-теоремы Бэкингема.
В процессе исследования выявлено, что при акустическом распылении дальнобойность факела/, м, зависит от следующих факторов:
- расстояния до резонирующей поверхности h, м;
- расхода продукта Q, м3/с;
- давления распыливающего агента Р, Па;
- диаметра сопел прохода продуктов d, м; - вязкости продукта ц, Пас;
- плотности продукта р, кг/м3.
Зависимость / от влияющих факторов традиционно можно представить в степенном виде:
/ = а ■ кх ■ ву ■ Р2 ■ йк ■ цу • р',
где а, х, у, г, у, I - безразмерные эмпирические коэффициенты.
На основе п-теоремы Бэкингема уравнение связи может быть представлено в виде критериального уравнения, в которое входят 4 критерия подобия.
Подставив вместо величин основные единицы их измерения и приравнивая показатели степеней при одинаковых символах размерностей, получаем систему уравнений, решая которую после группирования величин по показателям степеней получим критериальное уравнение в общем виде:
/ = " ( *
в ■ Р | [ Р ■ ^ ■ Р d ■ ц ) I ц2
(1)
где ^ и * являются параметрическими критериями геометрического подобия акустических d й
форсунок, а остальные критерии характеризуют гидродинамику распыления.
Для удобства математической обработки прологарифмируем уравнение (1), после чего оно станет линейным:
1п | 1п а + х ■ 1п (* | + у ■ 1п
Л
в ■ Р й ■ ц у
+ г ■ 1п
Р ■ й2 ■ р
2
ц
(2)
Упрощенный вид критериального уравнения акустического распыления
Так как давление распыливающего агента определяет не только дальнобойность, но и формирование самого факела распыла, то согласно результатам экспериментальных исследований для акустических форсунок его можно принять фиксированным (2,5-103 Па), т. е. исключить из влияющих факторов. Тогда уравнения (1) и (2) примут упрощенный вид:
/ = а I ^
в ■ Р
й ■ ц.
и
1п | /| = 1п а + х ■ 1п + у ■ 1п
й) У й) \ й ■ ц
х
у
х
Коэффициенты критериального уравнения
Коэффициенты а, х и у для описания процессов распыления различных продуктов устанавливались в ходе комплекса экспериментально-аналитических исследований. Некоторые из них представлены в таблице.
Значения коэффициентов критериального уравнения акустического распыления
Продукт а х у
Пектиновый экстракт 2 976 0,8862 -0,152
Яблочный сок 3 011 0,9006 -0,156
Гомогенизированное пюре из тыквы 2 948 0,9014 -0,158
Гомогенизированное пюре из кабачка 2 943 0,8782 -0,152
Критериальное уравнение процесса распыления следует использовать в инженерной практике для расчета параметров распыления и проектирования распылительных сушильных установок.
Заключение
Определяющим при разработке режима обезвоживания и конструктивных особенностей сушилки является выбор рационального устройства для распыления и оптимальных параметров его работы. При небольших габаритных размерах распылительных сушилок (в малогабаритных производствах при ограничении производственных объемов и площадей) в качестве распылительных устройств следует использовать акустические форсунки. Наиболее перспективны форсунки со струйным излучателем, обеспечивающие распыление значительных количеств жидкости при малых значениях давления подачи. Используя полученное критериальное уравнение, можно рационально проектировать распылительные сушильные установки, определять геометрические характеристики сушилок и параметры распылительного устройства в зависимости от влияющих факторов. Кроме того, использование результатов исследований позволит определить рациональные режимы распыления и обезвоживания различных продуктов для внедрения в производственную практику при организации процессов переработки пищевого сырья. Исследования будут продолжены с целью установления коэффициентов критериального уравнения для других объектов переработки и расширения области использования полученного уравнения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алексанян И. Ю. Математическое моделирование тепломассопереноса при распылительной сушке растительных экстрактов / И. Ю. Алексанян, Ю. А. Максименко, Ю. С. Феклунова // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. 2013. № 1. С. 9-13.
2. Максименко Ю. А. Моделирование и совершенствование тепломассообменных процессов при конвективной сушке растительного сырья в диспергированном состоянии // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. 2013. № 2. С. 19-24.
Статья поступила в редакцию 15.10.2014
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Петровичев Олег Александрович - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент кафедры «Технологические машины и оборудование»; [email protected].
Максименко Юрий Александрович - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Технологические машины и оборудование»; [email protected].
Синяк Станислав Владимирович - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Технологические машины и оборудование»; [email protected].
Саипова Лариса Хаджи-Ахмедовна - Россия, 364051, Грозный; Грозненский государственный нефтяной технический университет им. академика М. Д. Милпионщикова; канд. техн. наук; доцент кафедры «Технологическое машиностроение»; [email protected].
O. A. Petrovichev, Yu. A. Maksimenko, S. V. Sinyak, L. H.-A. Saipova
DIMENSIONLESS EQUATION OF THE PROCESS OF ACOUSTIC DISPERSION OF LIQUID AND PASTY FOOD
Abstract. The results of complex experimental and analytical studies of the process of the acoustic dispersion of liquid and pasty food are presented. It is stated that the governing regime in the development of dehydration and the design features of the dryer is the choice of the rational device for atomization and optimal parameters of its work. It is recommended to use sonic nozzles as spray devices for small size spray dryers, in small industries (limiting production volumes and areas). The analysis of scientific literature showed that the most promising are the nozzles with spray emitter, providing spraying of significant amount of liquid at low feeding pressure. The criterial equation of the spraying process is obtained; it is recommended to use for the rational designing of spray dryers, determining their geometric characteristics and parameters of the spray dryer. The factors of the criterial equation to determine the processes of spraying pectin extracts, apple juice and homogenous mashed pumpkin are given. The results of the studies help determine the rational modes of spraying and dehydration of various products for the organization of the processing of food raw materials and calculate the coefficients of criterion equation for other objects of processing and diversification of the received equation usage.
Key words: drying equipment, spraying, spray dryer, criterial equation of spraying, drying of liquid and pasty products.
REFERENCES
1. Aleksanian I. Iu., Maksimenko Iu. A., Feklunova Iu. S. Matematicheskoe modelirovanie teplomassop-erenosa pri raspylitel'noi sushke rastitel'nykh ekstraktov [Mathematical modeling of heat and mass transfer at spray drying of the plant extracts]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Upravlenie, vychislitel'naia tekhnika i informatika, 2013, no. 1, pp. 9-13.
2. Maksimenko Iu. A. Modelirovanie i sovershenstvovanie teplomassoobmennykh protsessov pri konvektivnoi sushke rastitel'nogo syr'ia v dispergirovannom sostoianii [Modeling and improvement of heat and mass transfer processes at convectional drying of the plant materials in dispersed state]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Upravlenie, vychislitel'naia tekhnika i informatika, 2013, no. 2, pp. 19-24.
The article submitted to the editors 15.10.2014
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Petrovichev Oleg Aleksandrovich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Technological Machines and Machinery"; [email protected].
Maksimenko Yuriy Aleksandrovich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Technological Machines and Machinery"; [email protected].
Sinyak Stanislav Vladimirovich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Technological Machines and Machinery"; [email protected].
Saipova Larisa Hadgi-Ahmedovna - Russia, 364051, Grozny; Grozny State Oil Technical University named after Academician M. D. Millionshchikov; Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor of the Department "Process Engineering"; [email protected].
