CC BY
33
ТЕХНОЛОГ1ЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ВИРОБНИЦТВА, ПЕРЕРОБКА ПРОДУКТ1В ТВАРИННИЦТВА ТА IX ЗБЕР1ГАННЯ
TECHNOLOGICAL ENSURING OF PRODUCTION, PROCESSING OF PRODUCTS OF ANIMAL ORIGIN AND THEIR PRESERVATION
УДК 664.661.12.021.3
Бшонога Ю.Л., д.т.н., професор1, Бшонога Д.М., к.ф-м.н., доцент2, Максисько О.Р., к.т.н., доцент1, Турчин 1.М., к.т.н., доцент1© хЛье1вський нацюнальний ушеерситет еетеринарног медицины та бютехнологт ¡мет С.З. Гжицького, м. Льеге, Украгна 2Нацюнальний Ушеерситет «Льегеська Полтехнка», м. Лье1е, Украгна
ОПТИМ1ЗАЦ1Я ПАРАМЕТР1В В1ДЦЕНТРОВО1 СУШАРКИ З ПСЕВДОЗР1ДЖЕНИМ ШАРОМ В СИСТЕМ1 ТВЕРДЕ Т1ЛО - ПОВ1ТРЯ
Визначен прюритетт шляхи оптим1зацп параметр1е псеедозргдженого шару (ПЗШ) у е1дцентроеих сушарках е системi теерде тыо - поетря (ТТ-П). Подана формула для розрахунку оптимального значення числа Рейнольдса з точки зору максимальног тепловiддачi потоку поетря, а також формули для еизначення числа Рейнольдса початку та ктця кнування ПЗШ е системi ТТ-П. Подана схема вiдценmрoвoг сушарки з ПЗШ. Показано, що виведен формули розрахунку параметра oпmимiзацiг дифузтних процеЫв, середньог оптимальног товщини приграничного ламтарного шару (ПЛШ), оптимального дiаметра подрiбнення сировини перед процесом суштня можуть застосовуватися для мiнiмiзацiг енерговитрат в умовах дифузтних процеЫв, зокрема суштня в полi вiдцентрових сил. Розраховаш критерт oпmимiзацiг Вц, оптимальне значення числа Рейнольдса Re1orm„ модифжоеане оптимальне число Архiмеда Ar^, робоче значення числа Рейнольдса для перехiднoгo (П) режиму осадження, оптимальне значення кутоеог швидкoсmi обертання вiдценmрoвoг сушарки з ПЗШ, а також оптимальна швидюсть пoдачi поетря i оптимальна товщина приграничного ламтарного шару (ПЛШ), де сушильним агентом виступае поетря за температури 1500С. Показано, що дан до^дження добре узгоджуються з лтературними даними, а оптимальне значення числа Рейнольдса 263 попадае у дiапазoн кнування ПЗШ за даних умов
© Бшонога Ю.Л., Бшонога Д.М., Максисько О.Р., Турчин 1.М., 2014
3
вгдцентрового сушшня. Подано алгоритм розрахунку оптимальных параметргв роботи вгдцентровог сушарки з ПЗШ..
Ключовi слова: псевдозргджений шар, приграничний ламтарний шар, поверхнева енерг1я, в1дцентрова сушарка, комп'ютерний експеримент.
УДК 664.661.12.021.3
Билонога Ю.Л., д.т.н., профессор1, Билонога Д.М., к.ф-м.н., доцент2, Максисько А.Р., к.т.н., доцент1, Турчин И.Н., к.т.н., доцент1 1Львовский национальный университет ветеринарной медицины и биотехнологий имени С.З. Гжицкого, г. Львов, Украина 2Национальный Университет «Львовская Политехника», г. Львов, Украина
ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СУШИЛКИ С ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ В СИСТЕМЕ ТВЕРДОЕ ТЕЛО -
ВОЗДУХ
Определены приоритетные пути оптимизации параметров псевдоожиженного слоя (ПОС) в центробежных сушилках в системе твердое тело - воздух (ТТ-В). Представленная формула для расчета оптимального значения числа Рейнольдса с точки зрения максимальной теплоотдачи потока воздуха, а также формулы для определения числа Рейнольдса начала и конца существования ПОС в системе ТТ-В. Представленная схема центробежной сушилки с ПОС. Показано, что выведены формулы расчета параметра оптимизации диффузионных процессов, средней оптимальной толщины пограничного ламинарного слоя (ПЛС), оптимального диаметра измельчения сырья перед процессом сушки могут применяться для минимизации энергозатрат в условиях диффузионных процессов, в частности сушки в поле центробежных сил. Рассчитаны критерий оптимизации Вц, оптимальное значение числа Рейнольдса Re1опт, модифицированное оптимальное число Архимеда, рабочее значение числа Рейнольдса для переходного (П) режима осаждения, оптимальное значение угловой скорости вращения центробежной сушилки с ПОС, а также оптимальная скорость подачи воздуха и оптимальная толщина пограничного ламинарного слоя (ПЛС), где сушильным агентом выступает воздух при температуре 1500С. Показано, что данные исследования хорошо согласуются с литературными данными, а оптимальное значение числа Рейнольдса 263 попадает в диапазон существования ПОС при данных условиях центробежной сушки. Представлен алгоритм расчета оптимальных параметров работы центробежной сушилки с ПОС.
Ключевые слова: псевдоожиженный слой, пограничный ламинарный слой, поверхностная энергия, центробежная сушилка, компьютерный эксперимент.
4
UDC 664.661.12.021.3
Bilonoha Yu, Professor1, Bilonoha D., Associate Professor2,
Maksysko O., Associate Professor1, Turchin I., Associate Professor 1
1Lviv National University of Veterinary Medicine and Biotechnologies named after S.Z. Gzhytskyj., Lviv, Ukraine 2National University "Lviv Polytechnic", Lviv, Ukraine
OPTIMIZATION OF PARAMETERS OF CENTRIFUGAL FLUIDIZED BED
SOLID SYSTEM - AIR
Priority ways to optimize the parameters of the fluidized bed in centrifugal dryer in the system solid - air (S-A). Apply the formula to calculate the optimal values of Reynolds number in terms of the maximum heat flux of air as well as formulas for determining the Reynolds number beginning and end of the PZSH in the system S-A. The present scheme of centrifugal dryers the fluidized bed.. It is shown that the formulas for calculation of the parameter optimization of diffusion processes, the average thickness of the near-boundary optimal laminar layer the fluidized bed , the optimal diameter grinding raw materials by a process of drying can be used to minimize energy consumption in terms of diffusion processes, including drying in the field centrifugal forces. The calculated optimization criterion, the optimal value of the Reynolds number Relopt, modified optimal number of Archimedes, operating value of the Reynolds number for the transition (P) mode of deposition, the optimal value of the angular velocity of centrifugal dryers the fluidized bed and optimum air feed rate and optimum thickness of the laminar layer near-boundary the fluidized bed , which acts as a drying agent for air temperature 1500C. Shown that these studies are in good agreement with literature data, and the optimal value of the Reynolds number 263 falls in the range of existence the fluidized bed under these conditions, centrifugal drying. Posted algorithm for calculating the optimal parameters of centrifugal dryers with the fluidized bed..
Key words: fluidized bed, near-boundary laminar layer, surface energy, centrifugal dryer, a computer experiment.
Вступ. На 0CH0Bi багатьох експеримешчв встановлено [1], що оптимальна швидюсть подачi пов^ря в ПЗШ вщповщае емтричному стввщношенню 1:
Ar
Re =_опт (1)
опт , „ _ __ Г~.- ' W
18 + 5,22 J Ar
> V опт
де Ar - число Архiмеда.
Так можна визначити оптимальну швидюсть подачi гарячого пов^ря в сушарку для найбшьш енергоефективно! И роботи, тобто з максимальною швидюстю висушування i з мммальними за даних умов енергетичними витратами.
Мета даноУ роботи - показати оптимальш значення критерш Рейнольдса в ПЗШ в системi ТТ-П, тобто оптимальну швидюсть подачi гарячого пов^ря у
5
вщцентрову сушарку з ПЗШ, а також оптимальну кутову швидкють обертання барабана сушарки.
Результати дослщження. Нами з метою пiдвищення iнтенсивностi висушування запропонована вщцентрова сушарка з ПЗШ з наступними конструктивними елементами (рис.1).
Рис 1. Схема ввдцентровоУ сушарки з ПЗШ:
1- пустотший кошчний барабан; 2 - сальники; 3 - опори; 4 - герметичний корпус; 5 - металева решггка з кроком 0,5 мм; 6 - герметичний люк; 7 -вентилятор; 8 - двосторонш крани; 9 - подрiбнена сировина; 10 - пустотш цапфи.
Радiус кошчного барабана г залежить вщ задано! продуктивностi сушарки. Приймаемо г = 0,2 м. Сушарка працюе в наступнiй послщовностк
Сировина, що подрiбнена до середнього дiаметра dc«1•10-3м, вiдповiдною порцiею подаеться у лiву пустотiлу цапфу 10, тсля чого герметичний люк 6 закриваеться. Вентилятором 7 подаеться нагр^е пов^ря, що заповнюе корпус 4. Кран 8 закриваеться, а гаряче пов^ря тддаеться рециркуляци. Далi пустотшому барабану 1 з цапфами 10 надаеться обертовий рух з вщповщною кутовою швидкiстю ® . Гаряче пов^ря з вiдповiдною швидкiстю V та витратою Wт вентилятором 7 нагштаеться в корпус 4, що створюе ПЗШ подрiбнено! сировини в полi вiдцентрових сил. Сушарка працюе до моменту максимально ефективного сушшня в системi ТТ-Г. Зволожене пов^ря перiодично випускаеться через кран 8 i через нього нагнiтаеться свiже нагрiте повiтря. Кутова швидкiсть обертання барабана 1 для конкретно! сировини ю визначаеться за допомогою параметра оптимiзацi! для умов вiдцентрового сушшня з ПЗШ.
Загально вiдомi формули для визначення т. К i В, тобто початку i кшця виникнення ПЗШ (Рис. 1) 2:
6
Аг „ Аг
Re г =-т= Re В =-т= (2)
1400 + 5,22у]Аг 18 + 0,515^/Аг
В iдеальних умовах тверда частинка в ПЗШ перебувае в станi невагомостг Потiк повiтря, що рухаеться навколо частинки за перехщного (П) чи турбулентного (Т) режиму, омиваючи И, формуе приграничний ламшарний шар (ПЛШ) [2].
Якщо користуватися формулою 1 для можливост оптимiзащl процесу псевдозрщження в системi ТТ-П то необхщно мати оптимальне число Архiмеда, яке входить у формулу. Фiзичнi характеристики пов^ря, якi входять в число Архiмеда, задаються автоматично, оскiльки продиктован параметрами сухого повiтря, яке подаеться на сушшня. Однак, домiнуючий параметр числа Архiмеда е середнiй дiаметр подрiбнення сировини в сушарцi, який е невщомим. Отже, якщо задатися середнiм дiаметром подрiбнення сировини, тодi для умов вiдцентрового сушiння в сушарщ (рис.2) необхiдно знати оптимальну кутову швидкiсть обертання барабана 1 для створення ПЗШ.
Методом аналiзу розмiрностей та методом комп'ютерного експерименту нами [3, 4] виведений параметр оптимiзацil для дифузшних процесiв, зокрема для вщцентрового сушiння у ПЗШ. Використовуючи параметр оптимiзацil Вц нами показано, що оптимальш параметри ЛПШ, зокрема середня оптимальна товщина Л111ТТ 5цопт., що виникае при осадженнi подрiбненоl частинки в ПЗШ з оптимальним дiаметром dопт., будуть розраховуватися за рiвностями 3,4,5 [3, 4].
5 ц.опт 3 2 / \ , (3)
]/с г(рч - Рс )рс
де рч, рп - густина подрiбненоl сировини та повггря кг/м3; со2г - доцентрове прискорення, м/с2; р - коефщент динамiчноl в'язкостi повiтря, Пас;
В ПЗШ визначальним е число Архiмеда, тому параметр оптимiзацil Вц може бути застосований для розрахунку оптимальних його параметрiв в системi ТТ-Г для вiдцентрового сушiння [3, 4] (4).
Д = 3.01-6 , (4)
Vе г(Рч - Рс ) де а - коефщент поверхневого натягу пов^ря, ;
0080 - гiдрофiльнiсть поверхш подрiбненоl фази (для повiтря cosQ = 1); Крiм цього, може бути використане стввщношення (5) для розрахунку оптимального середнього дiаметра подрiбнення сировини за вiдцентрового сушiння.
d
опт
5
ц
'4АТ1 , (5)
опт
де dопт. - оптимальне значення середнього дiаметра подрiбненоl сировини, м; 5цпт - оптимальнi значення товщини Л111ТТ за осадження частинки
1
в полi вщцентрових сил; м; Агопт - оптимальне значення числа Архiмеда модифжованого для вщцентрового сушiння.
Виходячи з вищесказаного, нами розрахованi: критерiй оптимiзащ! Вц, оптимальне значення числа Рейнольдса Re^оnm, модифiковане оптимальне число Архiмеда АгМт, робоче значення числа Рейнольдса для П режиму осадження,
оптимальне значення кутово! швидкост обертання вщцентрово! сушарки з ПЗШ, а також оптимальна швидкiсть подачi повiтря i оптимальна товщина Л111ТТ де сушильним агентом виступае повiтря за температури 150 0С, оскiльки ця температура визначена нами рашше, як оптимальна [5]. Тверда частинка мае густину рч=2000 кг/м3. Значення поверхнево! енерги капiлярно-пористого тiла (продукту) приймали 0,2 Дж/м2.Фiзичнi характеристики пов^ря взятi з довiдника.
1. Параметр оптимiзацil за вiдцентрового сушiннi з рiвностi 4 [3,4]:
5 = 3 07• 6 ("С05')3р = 3 07• 6 (°,2)3°,8152 =
ц ' ]/л4ю2г(рч -рс) ' \(2,45•105)ю20,2(2000-0,815) ю0'33
п 2•560 1120
2. Оптимальне значення числа Рейнольдса: Ке1опт = 2Вц =——— =——- ;
1опт ц 0,33 „ 0,33
ю ю
3. Модифiковане число Архiмеда:
Агм = ю2га3(Рч -рс)Рс = ю20,2(1 • 10 3) 3(2000-0,815)0,815 = 542 8 ^ ¡и2 (2,45 •Ю-5)2 , ;
4.Робоче оптимальне значення числа Рейнольдса для П режиму осадження:
Яе2опт = 0,152(^ АгМ )0,715 = 0,152 (0,77 • 542,8 ю2 )0,715 = 11,37ю143 ;
де ^ - коефiцiент форми. Прирiвнюемо оптимальнi значення числа Рейнольдса, що знайденi в п. 2 i 4.
5. Оптимальне значення кутово! швидкост обертання сушарки для створення ПЗШ:
Х-еопт = Х-е^т; ^|=11,37ю1^ ; 11,37 ю1^ V'33 = 560; ю '
ю1-763 = 49,25; ю = 1,76^49,25 = 9 с"1; п = — = 86 об/ ; Яеопт = Ц37юМЗ =11,37• 91,43 = 263.
ж ' хе'
ттт • Хеи 263• 2,45•Ю-5 „ пм/
6. Швидюсть подачi повiтря: и = —=---= 7 9 м/
ар 1-10-3 • 0,815 ' /с
С! с '
7. Оптимальне модифiковане число Архiмеда:
Агм = ю'га 3(Рч- рс )рс = 542,8 • ю2 = 542,8 • 92 = 43967.
л
8. Оптимальна товщина ПЗШ за формулою 3 [3, 4]:
8
5 = 3_= 31 _Р,45-10-5)2_= 0,028 мм
цопт у с2г(рч - Рс )рс у92 -0,2(2000 - 0,815)0,815
9. Оптимальний дiаметр подрiбнення сировини зi сшввщношення 5[3, 4]: d = 5 Агп = 28-10-6-^43961 = 0,99 « 1 мм
опт опт \ опт * >
За температури 150 0С нами розраховане число Рейнольдса на початку i
в кшщ iснування ПЗШ за сшввщношенням (2а i 2б), тобто значення:
Аг 43961
Re к =-_ =-, = 11,6
1400 + 5,22^/Аг 1400 + 5,22^/43961
и Аг 43961
Re В =-¡^= =-, = 311
18 + 0,515^/Аг 18 + 0,515^/43961
Бачимо, що нашi дослщження добре узгоджуються з лiтературними даними i попередньо прийнятими значеннями, а оптимальне значення числа Рейнольдса 263 попадае у дiапазон iснування ПЗШ за даних умов вщцентрового сушшня.
Пiдсумовуючи вищенаведене, подаемо наступний алгоритм розрахунку оптимальних параметрiв роботи вщцентрових сушарок з ПЗШ в системi ТТ - П:
1. Визначають параметр оптимiзацil вiдцентрового процесу висушування, Вц.
2. Розраховують оптимальне число Рейнольдса, Reопт = 2 - Вц
3. Визначають оптимальне число Архiмеда модифiковане, Аг1М1пт для П або Т режиму вщцентрового осадження.
4. Розраховують оптимальш значення товщини ПЛТТТ, 5чопт .
5.Визначають оптимальний середнiй дiаметр подрiбнення сировини,
dопт 5 опт 3 Агопт
6. За вщомим середшм дiаметром подрiбнення визначають оптимальну швидкiсть подачi середовища в апарат.
Висновки.
1. Запропонованi конструктивнi елементи сушарки з ПЗШ.
2. Виведеш нами спiввiдношення [3,4] можуть застосовуватися для умов вщцентрового сушшня з ПЗШ.
3. Представлений алгоритм розрахунку оптимальних параметрiв сушшня у вщцентрових сушарках з ПЗШ.
Перспективи подальших дослщжень.
Подальшi науковi дослiдження будуть спрямованi на удосконалення конструктивних елемешчв вiдцентрових сушарок з ПЗШ, а також на оптимiзацiю параметрiв 1х ефективно! роботи.
Лiтература
1. Аэров М.Э. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем [Текст] / М.Э. Аэров, О.М. Тодес. Л.: Химия, 1968. - 510 с.
9
2. Бшонога Ю.Л. Про доцшьшсть розгляду гщромехашчних процеав з урахуванням сил поверхневого натягу на границ контакту тверде тшо - рщина [Текст] Лнтегроваш технологи та енергозбереження. - 2006. - №2. - С. 56 - 64.
3. Бшонога Ю.Л. Оптимiзацiя параметрiв подрiбнення твердо! сировини тд час розчинення та екстракци в полi гравiтацiйних або вщцентрових сил [Текст] / Вiсник НУ "Львiвська полiтехнiка "Оптимiзацiя виробничих процеав i технiчний контроль у машинобудуванш та приладобудуваннi. - 2004. - № 515.
- С. 104 - 116.
4. Бшонога Ю.Л. Критерш оптимiзацi! грав^ацшного процесу екстракци в системi тверде тiло-рiдина або рщина-рщина [Текст] /Ю.Л. Бiлонога, Д.М. Бiлонога // Вiсник НУ "Львiвська пол^ехшка" Оптимiзацiя виробничих процесiв i технiчний контроль у машинобудуваннi та приладобудуванш. - 2003.
- № 480. - С. 3 - 6.
5. Бшонога Ю.Л. Оптимiзацiя параметрiв псевдозрщженого шару в системi тверде тiло - газ (ТТ-Г) [Текст] // Науковий вкник ЛНУВМ та БТ iменi С.З.Гжицького - Львiв, 2013. - Т.15, № 1, Серiя «Харчовi технологи». - Ч. 3.-С. 7-11.
Рецензент - д.т.н., професор Щж Б.Р.
10
