CC BY
70
О ВЛАГОПЕРЕНОСЕ ПРИ КОНТАКТНОЙ СУШКЕ ЗЕРНА
УДК 631:362.7
Владимир Курдюмов,
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой,
Андрей Павлушин,
доктор технических наук, доцент,
Галина Карпенко,
кандидат технических наук, доцент,
Михаил Карпенко,
кандидат технических наук, доцент,
Петр Агеев, магистрант,
Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия имени П.А. Столыпина, г. Ульяновск
О ВЛАГОПЕРЕНОСЕ ПРИ КОНТАКТНОЙ СУШКЕ ЗЕРНА
<х>оо<х>о<><хх>о<хх>о<><хх>о<хх>о<хх>о<><хх>о<хх>о<хх>о<><хх>о<хх>о<><х>о<><хх>о<хх>о<><х><><><хх>о<хх>о<><хх>о<хх>оо<х>о<><хх>о<хх>оо<х>о<><хх>
Обоснована эффективность использования результатов исследований полей влагосодержания и температуры, как основного метода изучения механизма перемещения влаги внутри зерна в процессе его тепловой обработки. Выявлено, что процесс контактной сушки протекает в несколько периодов: период прогрева, период постоянной скорости сушки (первый период) и период убывающей скорости сушки (второй период), при этом последний делится на две части. Первый период сушки, составляющий до 60% общей длительности процесса, характеризуется примерно постоянной скоростью сушки, неизменной или медленно понижающейся со временем средней температурой зерна, которая значительно выше температуры мокрого термометра и зависит от температуры греющей поверхности. Доказано, что количество теплоты, полученное от греющей поверхности, в первом периоде сушки расходуется на испарение влаги и на потери теплоты лучеиспусканием и конвекцией открытой поверхностью зерна в окружающую среду.
S u m m a r y
The efficiency of the use of field research in moisture content and temperature, as the main method of studying the mechanism of moisture movement within the grain in the process of heat treatment. It revealed that the contact drying process takes several periods: warm-up period, the constant drying rate period (first period) and a decreasing drying rate period (second period), the latter is divided into two parts. The first drying period, amounting to 60% of the total duration of the process is characterized by an approximately constant drying rate constant or slowly decreasing over time, the average temperature of the grain, which is significantly higher than the wet bulb temperature and depends on the temperature of the heating surface. It is proved that the amount of heat received from the heating surface, in the first period is consumed for drying evaporation of moisture and heat losses by radiation and convection surface grain open to the environment.
Ключевые слова: сушка зерна, влагоперенос, энергосбережение, контактный нагрев.
Keywords: grain drying, moisture transfer, energy saving, contact heating.
Одним из надежных методов изучения механизма перемещения влаги внутри зерна в процессе его тепловой обработки является исследование полей влагосодержания и температуры [1, 6]. Особенности процесса влагообмена, зависящего не только от вида и качества обрабатываемого зерна, но и от способа теплового воздействия, в первую очередь, выявляет детальное описание и изучение кривых сушки и скорости сушки.
На рисунке 1 представлена зависимость среднего влагосодержания и средней температуры высушиваемого материала от времени протекания процесса сушки зерна. При выборе метода передачи теплоты зерну важно чтобы высушенный продукт имел заданное стандартами качество, и чтобы эффективность процесса сушки была как можно выше. В связи с этим, возникает большой интерес к более подробному изучению контактной сушки зерна в тонком слое, которая успешно может быть реализована в устройствах с небольшой пропускной способностью.
В начальный период процесса сушки (период прогрева) температура зерна повышается (участок А'В'), что сопровождается испарением влаги (участок А"В") с его поверхности и возрастанием скорости сушки (участок АВ).
В этом периоде испарение влаги с поверхности зерна создает
перепад влагосодержания между поверхностным и последующими слоями, что вызывает обусловленное диффузией перемещение влаги из нижележащих слоев к поверхностным. Однако при контактной обработке зерна наличие температурного градиента внутри зерна осложняет механизм переноса влаги, способствуя ее перемещению внутрь зерна.
Это обусловлено влиянием перепада температуры (температура поверхности зерна больше температуры центральных слоев, и под влиянием термодиффузии влага перемещается по направлению потока теплоты внутрь зерна). Пар, проникающий внутрь зерна, встречаясь с еще не нагретым слоем, конденсируется вблизи контактного слоя и передает свою теплоту следующему слою, за счет чего последний прогревается более интенсивно (рис. 2).
Таким образом, следующие порции пара все глубже проникают внутрь зерна и тоже конденсируются. В конце начального периода зерно прогревается до температуры, при которой пар, не конденсируясь, преодолевает сопротивление его переносу, доходит до внешней поверхности зерна и покидает его. Здесь происходит переход к началу периода постоянной скорости сушки.
В период постоянной скорости сушки (участок ВС) теплота, со-
№ 1/ 2016
51
НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННЫМ КОМПЛЕКСОМ
т;с и>% Период прогрева Период убывающей скормом
/ Период ноезпомипоИ Coarnmtue Состояние виутрен- fle/пмгt /тановее-
л\ cui/игш сушки JT ненасыщенной поверхности ней диффузии иого состояния
Teprooe=COnsi Е
в \ с т-ю
( Первая \/ крыишоеежтм точки в \ с\ о; iQ Вторая критическая
А' - Ч T=f(x) Е"
ъ Е
Область влажного Область гигроскопического т, лит
состояния зерно состоянии зерна
Рис. 1. Кинетика контактной сушки зерна
Рис. 2. Влагоперенос в период прогрева при контактной сушке
общаемая зерну, расходуется в основном на испарение влаги, и влажность зерна уменьшается по прямой линии В"С". Температура зерна увеличивается незначительно по прямой В'С'.
В этот период на границе соприкосновения слоя влажного зерна с греющей поверхностью кожуха устройства возникают два одновременно протекающих и взаимосвязанных процесса:
1. Контактный теплообмен между греющей поверхностью и влажным зерном, который сопровождается переносом влаги. Такой теплообмен наиболее эффективен в период постоянной скорости сушки, поскольку он протекает при достаточно хорошем и устойчивом тепловом контакте зерна с поверхностью, обеспечивающем интенсивную передачу теплоты теплопроводностью.
2. Процесс изменения агрегатного состояния влаги (парообразования), который сопровождается поглощением теплоты фазового превращения и переносом теплоты внутри зерна паром.
Интенсивность тепломассобмена, происходящего в зоне парообразования на границе соприкосновения зерна с греющей поверхностью, зависит от температуры греющей поверхности, а также от плотности, влагосодержания, степени прижатия и пористости зерна [1, 2].
Важной особенностью периода постоянной скорости контактной сушки является наличие в обрабатываемом зерне двух зон парообразования: у греющей поверхности кожуха и у открытой поверхности зерна (рис. 3).
Пар, образовавшийся у греющей поверхности и переносимый через зерно, удаляется с открытой поверхности вместе с паром, образовавшимся вблизи нее. Следовательно, интенсивность сушки определяют потоки пара, образовавшегося в двух зонах парообразования, благодаря чему интенсивность процесса контактной сушки в первый период увеличивается в несколько раз по сравнению с интенсивностью при обычной конвективной сушке.
Однако существование устойчивых зон парообразования возможно только в том случае, если в самих зонах и внутренних слоях сосредоточено достаточное количество влаги. Поэтому перепад влагосодержания внутри зерна является следствием переноса влаги изнутри зерна в виде жидкости как к его открытой поверхности, так и к зоне парообразования у греющей поверхности кожуха. Такое перемещение жидкости вызывается непрерывным уменьшением влагосодержания в периферийных слоях зерна, что обусловлено фазовым превращением, происходящим в зонах парообразования, и выделением образовавшегося пара в окружающую среду.
Таким образом, в периоде постоянной скорости сушки влага внутри зерна переносится в виде пара и в виде жидкости, причем
в контактном слое наблюдается дифференциация их потоков. Поток жидкости направлен из контактного слоя к зоне парообразования в этом слое, а поток пара - из зоны парообразования к открытой поверхности зерна.
После завершения периода постоянной скорости зерно достигает определенной влажности (первая критическая точка С), и наступает период убывающей скорости сушки (рис. 4).
В начале этого периода на поверхности зерна появляются отдельные не насыщенные влагой участки, а зона парообразования у греющей поверхности смещается вглубь зерна. При этом контактная поверхность «подсыхает», температура зерна снижается, и подвод к нему теплоты от греющей поверхности резко сокращается. Наступает состояние ненасыщенной поверхности зерна. В этот период влага перемещается только к открытой поверхности, поэтому скорость сушки зависит в большей степени от условий внешней диффузии.
После достижения влажности зерна второй критической точки D происходит внутренняя диффузия влаги. Вся поверхность зерна становится сухой, а интенсивность испарения определяется только внутренней диффузией влаги.
Период равновесного состояния наступает, когда скорость сушки будет равна нулю (точка Е). Однако на практике этот период отсутствует, поскольку тепловую обработку завершают до его наступления.
Влагосодержание в процессе сушки неравномерно и несимметрично: в контактном слое, прилегающем к греющей поверхности, влагосодержание на протяжении всего процесса минимально, в центральных слоях - максимально, а у открытой поверхности влагосодержание ниже, чем в центральных слоях, но выше чем в контактном слое. Такой характер распределения влаги - результат особого механизма переноса вещества при контактной сушке.
Поле температур характеризуется тем, что температура любого слоя зерна в направлении от контактного слоя к открытой поверхности непрерывно убывает [4, 5, 6].
Таким образом, анализ кривых кинетики нагрева и сушки, скорости сушки и температурных кривых позволяет сделать следующие заключения:
• процесс сушки протекает в несколько периодов: период прогрева, период постоянной скорости сушки (первый период) и период убывающей скорости сушки (второй период), при этом последний делится на две части;
• первый период сушки, составляющий до 60% общей длительности процесса, характеризуется примерно постоянной скоростью сушки, неизменной или медленно понижающейся со
52
Международный сельскохозяйственный журнал
О ВЛАГОПЕРЕНОСЕ ПРИ КОНТАКТНОЙ СУШКЕ ЗЕРНА
Рис. 3. Влагоперенос в период постоянной скорости при контактной сушке
Рис. 4. Влагоперенос в период убывающей скорости при контактной сушке
временем средней температурой зерна, которая значительно выше температуры мокрого термометра и зависит от температуры греющей поверхности;
• второй период контактной сушки определяется убывающей скоростью сушки, наличием второй критической точки, резко выраженной на кривой скорости сушки и температурной кривой в отличие от конвективной сушки; первая часть второго периода характеризуется или снижением, или повышением средней температуры зерна, а вторая - ее возрастанием;
• температурные кривые и кривые кинетики нагрева при контактной сушке имеют специфическую форму, отличную от известных соответствующих кривых при других методах сушки, что объясняется особенностями механизма тепломассообмена контактной сушки;
• сравнение соответствующих кривых контактной и конвективной сушки показывает, что характер этих процессов одинаков, а имеющиеся качественные и количественные различия между ними определяются методом подвода теплоты (граничными условиями), что отражается на внутреннем тепломассопереносе.
Процесс сушки зерна состоит из перемещения влаги внутри зерна, парообразования и перемещения влаги с его поверхности в окружающую среду. При соприкосновении влажного зерна с агентом сушки или нагретой поверхностью жидкость на поверхности зерна испаряется и путем диффузии покидает ее, переходя в окружающую среду. Испарение влаги с поверхности зерна создает перепад влагосодержания между последующими слоями и поверхностным слоем, что вызывает обусловленное диффузией перемещение влаги из нижележащих слоев к поверхностным. Наличие температурного градиента внутри зерна осложняет механизм переноса влаги. Под влиянием перепада температуры (температура поверхности зерна больше температуры центральных слоев) влага стремится переместиться внутрь тела (под влиянием термодиффузии влага перемещается по направлению потока теплоты).
Таким образом, в процессе сушки влага непрерывно подводится из внутренних слоев зерна к его поверхностным слоям, вследствие чего уменьшается влажность как на поверхности, так и во внутренних слоях зерна. В простейшем случае испарение происходит на поверхности материала, а образующийся пар диффундирует в окружающую среду. В более сложных случаях испарение происходит внутри зерна, в определенной его зоне или во всей массе, причем перемещение влаги внутри зерна происходит как в виде жидкости, так и в виде пара. Скорость перемещения влаги внутри зерна зависит от формы связи ее с зерном, поэтому процесс сушки является физико-химическим.
Одной из характерных особенностей процесса контактной сушки в первом периоде является постоянство скорости сушки и температуры в каждом сечении зерна. Эта особенность обусловлена тем, что при контактной сушке теплота сообщается влажному зерну только от греющей поверхности и передается к открытой поверхности зерна с последующей отдачей ее в окружающую среду. Количество теплоты, полученное от греющей поверхности, в первом периоде сушки расходуется на испарение влаги и на потери теплоты лучеиспусканием и конвекцией открытой поверхностью зерна в окружающую среду. Доля этих потерь в общем расходе теплоты невелика и составляет максимально 3-5%, так что ими можно пренебречь [3]. Кроме того, наличие диффузии скольжения в макрокапиллярах зерна вызывает циркуляцию парообразной влаги в замкнутых порах, что приводит к ее перераспределению, в результате чего влага частично перемещается от поверхностных слоев внутрь тела.
Литература
1. Карпенко Г.В., Курдюмов В.И., Павлушин А.А., Карпенко М.А. Обоснование теплофизических параметров установки для сушки зерна контактного типа // Научное обеспечение устойчивого функционирования и развития АПК: материалы Всероссийской научно-практической конференции с Международным участием, 2009. С. 84-87.
2. Курдюмов В.И., Павлушин А.А., Карпенко Г.В., Сутягин С.А. Тепловая обработка зерна в установках контактного типа: монография. Ульяновск: УГСХА им. П.А. Столыпина, 2013. 290 с.
3. Курдюмов В.И., Павлушин А.А., Сутягин С.А. Энергозатраты на процесс сушки зерна // Вестник ВИЭСХ. 2012. Т. 2. № 7. С. 52-54.
4. Курдюмов В.И., Павлушин А.А. Теоретические и экспериментальные аспекты контактного способа передачи теплоты при сушке зерна // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2011. № 3. С. 106-110.
5. Курдюмов В.И., Карпенко Г.В., Павлушин А.А. Особенности тепловой обработки зерна в установках контактного типа // Международный сельскохозяйственный журнал. 2010. № 5. С. 50-53.
6. Курдюмов В.И., Карпенко Г.В., Павлушин А.А., Сутягин С.А. Особенности тепловой обработки пищевых продуктов в установках контактного типа // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. 2011. № 4 (322). С. 90-92.
№ 1/2016
53
