CC BY
33
664:047.003.13
ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА СУШКИ ТЕРМОЛАБИЛЬНЫХ ПРОДУКТОВ
А. Н. ОСТРИКОВ, А, А. ШЕВЦОВ
Воронежский технологический институт
Одним из существенных недостатков сушилок, :пользуемых в пищевой промышленности, являет-: их низкая тепловая эффективность вследствие эационального использования энергии тепло-сителя. При сушке термолабильных пищевых одуктов не всегда представляется возможным гулирование режимных параметров теплоноси-1Я, особенно в тех случаях, когда малейшее <лонение от заданного оптимального режима ики может привести к нежелательным послед-’> и я м. В связи с этим очевиден только один путь чсимального использования тепла сушильного нта — изменение высоты слоя продукта. Однако змерное увеличение высоты слоя материала кет привести к тому, что теплоноситель, дви-сь в слое, перенасыщается влагой, и в верх-слоях продукта может происходить конденса-влаги. В то же время снижение величины тьной нагрузки продукта на решетку менее еделенного значения ведет к неэффективному эльзованию энергии теплоносителя, аким образом, имеет место компромиссная за-а: регулирование высоты слоя материала долж-происходить так, чтобы добиться максималь-) использования сушильного потенциала тепло-теля. Выбор нижнего и верхнего уровней вы-I слоя материала на каждом этапе процесса <и должен быть строго обоснован.
:ушествление предлагаемой оптимизации дан-процесса стало возможным в результате ериментальных исследований, связанных с суш-различных видов круп [1—2] на Грязинском комбинате. Минимизации подвергались удель-энергозатраты при выполнении ограничений ачеству высушиваемого продукта:
I 32
и
тш, р./кг
а;
Ц,кэА-опО- + ЦтспдпТп
р а.сУафв + 1)
тт, р./кг, (2)
— затраты электроэнергии в единицу времени на создание массового потока сушильного агента, р./ч;
— затраты тепловой энергии на создание теплового потока сушильного агента, р./ч;
— количество испаряемой влаги в единицу времени, кг/ч;
— цена электроэнергии, р./(кВт-ч);
— коэффициент перевода механической энергии в электрическую, (кВт-ч)/(Н-м);
— скорость теплоносителя на входе в слой продукта, м/с;
— удельная нагрузка продукта на газораспределительную решетку, кг/м'г;
— экспериментально определяемые коэффициенты, зависящие от свойств сыпучего продукта. Методика определения коэффициентов изложена в [2];
— цена тепловой энергии, р./кДж;
-теплоемкость греющего пара, кДж/(кг-К);
— массовый расход греющего пара, кг/ч; Тп — температура греющего пара. К; ра с- — плотность абсолютно сухого воздуха, кг/м6\ V— расход теплоносителя, мл/ч; а и Ь — эмпирические коэффициенты, зависящие от начальной влажности продукта. Приведем формулу (2) к виду, удобному для исследования на экстремум:
К
А& + В " Рй + N
(3)
где
А = ЦэкэАи\
В =ЦтспцпТп, (4)
Р =ра.сУаЬ,
N =р а.сУа.
Необходимое условие экстремума имеет вид:
йЯ = 2ЛС(РО + АО - (АС2 + В) Р = 0 (5)
<Ю (£>0 + Ы)1
Условие (5) выполняется, если
_б
П А
г2, Г В П
0 + ~п 0 - ~л - °-
Отсюда следует
С? 1.2 = —
N
л/(- -ъ) + 4
(6)
Р V V в ) 1 А Так как значение удельной нагрузки материала на газораспределительную решетку есть величина положительная, то этому условию будет удовлетворять единственное решение:
С учетом (4) выражение (7) принимает следующий вид:
О* _______!__|_ \ /(:■■[ V I
% + \ ■ цзкэАип
Исследуем вторую производную в точке экстремума:
^ = [(2Л£О + 2ЛЛ0(£С + Л02- (ЛОС2 +
-\-2ANG — ВР)2{РС + Ы) 0}/(00 + Щ'' =
_ 2 (Рй Л/) (А /У~ -|- ВРг) д
(Г) О + Л')4 вац!]
Это означает, что в точке (7) имеет место минимум. Таким образом обоснована возможность
применения экстремального управления процессом сушки термолабильных продуктов.
Апробация предлагаемой оптимизации была осуществлена в сушильной установке [2], смонтированной на Грязинском пищекомбинате, применительно к сушке гречневой крупы перегретым паром атмосферного давления. Оптимальные режимы процесса сушки гречневой крупы приведены в табл. 1.
Таблица 1
Порядковый номер сушильной зоны і Влажность гречневой крупы, поступающей в каждую зону а?н Значения переменных коэффициентов Та, к V, м/с Время пребывания крупы в зоне, т, мин
а Ь
1 34—35 5,0-10 0,20 443 1,6 7,5
2 25—27 5,3-10 — ДІ15 433 1,4 3,2
3 17—19 5,7-10 -3 0,07 423 1,0 2.3
Таблица 2
Наименование Обозначение Численное
значение
Цена электроэнергии, р. /(кВт-ч) ц» 0,02
Цена тепловой энергии, р./кДж Цт 10,5-10~6
Коэффициент перевода электрической энергии в механическую, (кВт- ч)/Дж к 0,278-Ю^6
Теплоемкость пара, кДж/(кг- К) сп 0,47
Расход пара, кг/ч Яп 850
Расход сушильного агента, м?/ч V 1200
Эмпирические коэффициенты А 0,73
п 1,5 ..
В табл. 2 приведены значения параметров и коэффициентов, необходимых для расчета.
Подставляя данные табл. 1 и 2 в формулу (4), получим оптимальные значения удельной нагрузки продукта на решетку О*, с помощью которых по формуле (2) находим минимальные значения энергозатрат Н,тп для каждой зоны:
I ОТ =20кг/м2, К-тіп, — 0,244 р./кг;
II О?'=18 кг/м1, Ятіп-2 — 0,165 р./кг;
III Оз = 15 кг/м2, Чтіпі =0,08 р./кг.
На основании проведенных исследований был разработан способ автоматического управления процессом сушки, схема которого представлена на рисунке [3].
Схема содержит одну из рабочих камер сушилки 1, калорифер 2, вентилятор 3, датчики 4, 5 влагосодержания сушильного агента, датчик 6 расхода сушильного агента, датчик 7 удельной нагрузки продукта на газораспределительную решетку, датчики 8, 9 температуры и расхода греющего пара, датчик 10 потребляемой мощности вентилятора, датчик 11 начальной влажности продукта; вторичные приборы 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, блок умножения 19, алгебраический блок 20, вычислительное устройство 21, функциональный блок 22, блок сравнения 23, регулятор 24, исполнительный механизм 25.
'Ш
Информация о фактическом расходе теплов и электрической энергии с помощью датчик 8, 9, 10 через вторичные приборы 14. 15, 16 пе| дается в алгебраический блок, который непрерыв вычисляет суммарные энергозатраты на проц( сушки. Одновременно вторичный прибор 12 с і мощью датчиков 4 и 5 измеряет разность вла содержаний сушильного агента до и после суш и передает сигнал, пропорциональный этой разі сти в блок умножения. Получая информац с датчика 6 через вторичный прибор 13 о расхс сушильного агента, блок умножения вырабат вает сигнал, пропорциональный количеству уда; емой влаги в единицу времени. Вычислитель? устройство, связанное с блоками умножения алгебраическим, производит оперативный с1 удельных энергозатрат в каждый момент врер ни процесса сушки и передает пропорциональн им сигнал в функциональный блок, в котор также поступает с датчика И через вторичн прибор 17 информация о начальной влажное продукта. Функциональный блок, по заложенн в него экстремальной характеристике формир) и передает в блок сравнения сигнал, соответсті ющий оптимальному значению удельной нагруз продукта на решетку. Блок сравнения вырабат вает сигнал отклонения текущего значения уде; ной нагрузки продукта на решетку, измеряемо вторичным прибором 18 и датчиком 7, от от мального и через регулятор посредством исполн тельного механизма воздействует на расход пр дукта, изменяя при этом высоту слоя продук таким образом, чтобы удельные энергозатраты д, выбранного режима сушки были бы минимал ными.
Предлагаемый способ управления может бы применим только при секционной или многост пенчатой сушке.
Отработанный сушильный агент
ВЫВОДЫ
1. В результате проведенных исследований опре-;лен комплексный критерий оптимизации, обеспе-явающий непрерывный контроль за минимумом гергозатрат при регулировании высоты слоя родукта.
2. Разработана схема автоматического управле-ия процессом сушки в многосекционных сушилах, апробирование которой в производственных словиях позволило добиться снижения энергоза-рат на 10—12%.
ЛИТЕРАТУРА
. Остриков А. Н., Кравченко В. М., Шевцов А. А., Выходцев В. В. Двухблочная су-
шилка для производства круп, не требующих варки// Технология и оборудование пищевой промышленности и пищевое машиностроение: Сб. науч. тр./ Краснодар, 1986.
2. Кравченко В. М., Остриков А. Н., Фир-гер П. Д., Выходцев В. В. Выбор критерия оптимизации сушки круп и овощей перегретым паром // Пищ. и перераб. пром-сть.— 1986.— № 4.— С. 32—33.
3. А. с. № 1437658 СССР. Способ автоматического управления процессом сушки сыпучих материалов / Остриков А. Н., Шевцов А. А., Добросоцкая Ю. А.— Опубл. Б. И,— 1988,— № 42.
Кафедра машин и аппаратов
пищевых производств Поступила 25.02.88
665.3.002.5
ЭКСТРУЗИЯ СЕМЯН СОИ НА ДВУХЧЕРВЯЧНОМ ЭКСТРУДЕРЕ
В. Н. ГЕРАЩЕНКО, Ю. П. КУДРИН, Ю. А. ТОЛЧИНСКИЙ, В. В. КЛЮЧКИН,
А. С. САВУС, Б. А. ХАРИТОНОВ
Харьковский ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции политехнический институт им. В. И. Ленина Всесоюзный научно-исследовательский институт жиров Пологовский маслоэкстракционный завод Подотдел масложировой промышленности и моющих средств Госагропрома СССР
Экструзионная обработка маслосодержащих ма-фиалов перед экстракцией — наиболее перспек-1вный подготовительный процесс в жиродобыва-ии. Она позволяет, в принципе, совместить провесы влаготепловой обработки, измельчения, сме-[ения, фильтрации и гранулирования в одном ппарате. Для экструзионной подготовки материа-а необходимы специальные высокопроизводитель-ые экструдеры, которые в СССР отсутствуют [1]. Задача разработки таких устройств сводится построению методов их расчета на основе фи-1ческого и математического моделирования. Нами азработана математическая модель. Для опреде-гния ряда констант, входящих в модель, проверки цекватности модели объекту и отработки техно-эгических режимов на Пологовском МЭЗе созда-а экспериментальная установка и исследованы' арактеристики процесса по экструзионной подго-звке материала в экстракции.
Базовым аппаратом установки является экстру-зр [2], который содержит корпус с двумя парал-ельными червячными валами, редуктор-раздвои-;ль, вариатор и электродвигатель.
Основные элементы экструдера: разъемный, сек-ионный корпус и червячные валы, состоящие из )бственно валов, червяков, специальных органов шайб. Нарезка червяков имеет контактно-уплот-ятельный профиль, что обеспечивает принудитель-эе перемещение материала и самоочистку рабо-ах поверхностей в зоне контакта.
При проведении экспериментов изменялись сле-ующие параметры процесса: влажность маслич-ых семян (экструдировалась соя), температура чутренней поверхности корпуса, частота вращения алов. Определялись: величина бокового давления материале по длине рабочей зоны и ее темпе-атура; производительность по гранулам; потреб-яемая электродвигателем мощность; исходная асличность семян сои и экстрагируемость гра-ул, а также остаточная масличность гранул, ропущенных через заводской экстрактор. Полу-гнные данные в ходе экспериментов обрабаты-
вались специальными методами [3]. Влажность семян сои изменяли от 8 до 18%, температуру внутренней поверхности корпуса — от 115 до 140° С.
Предварительные исследования показали, что при влажности семян ниже 11% получаются очень прочные, плохо экстрагируемые гранулы, а при влажности выше 14% гранулы непрочные, рыхлые, поэтому основные исследования проведены в диапазоне влажности семян 11 —14%.
Экструзию проводили следующим образом. Очищенные от сора увлажненные семена сои подавали через загрузочное отверстие в экструдер. В нем бобы транспортировались в рабочей зоне, сжимались, частично измельчались, далее опять транспортировались, сжимались и окончательно до-измельчались. Хорошо измельченная, прогретая масса продавливалась через отверстия матрицы, закрепленной на торце экструдера. При проведении процесса контролировались перечисленные выше параметры.
На рис. 1 показана зависимость бокового давления Р|, атм, по длине, см, экструдера ^ от температуры корпуса Т, частоты вращения валов
