Синтез структур интенсивных технических систем массопереноса Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

N

' Ац Ца+цЬ)

— соибі, не зависящая от вре-

мени величина.

др

одставив в (14) -4- из (21) и с учетом (15) по

1аем:

. (т) =А Ца+цЬ) [н ^ +

Ь 4 ПТ ПТ 'о , Л 7^

дт дт чР.ійг2

+£•&))-(§+І)4 <*>

^(т) \а+цЬ)

+ N + Ь. ^Рв ^ -(?Рл_дРд\,

КРлдг2 ^ рв дг2 ' \дх дт / +

(др V*

дт

(23)

ВЫВОДЫ

1. Уравнение описывает процесс отжатия с уче-4 следующих допущений:

I. Скелет системы отжатия не выделяется с раствором.

II. Плотность скелета остается неизменной в процессе отжатия.

III. Коэффициенты фильтрации постоянны во времени и по высоте.

2. Полученное уравнение (23) учитывает давление внутри системы отжати-я на отдельные компоненты, выделяющиеся в результате усадки материала, скорость усадки, а также геометрический фактор и параметры системы отжатия.

3. Выведенное уравнение учитывает процессы компрессионного характера, консолидации и фильтрации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Иванов П. Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений.— М.: Высшая школа, 1985.—

352 с.

2. К о р н Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров.— М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1987,— 832 с.

3. Хелемский М. 3. Технологические качества сахарной свеклы.— М.: «Пищевая промышленность»,

1967.— 285 с.

Кафедра машин и аппаратов пищевых производств

Поступила 24.04.90

[637.333.7+664.922] .001.573

ИНТЕЗ СТРУКТУР ИНТЕНСИВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ МАССОПЕРЕНОСА

В. В. МИТИН

Московский ордена Трудового Красного Знамени институт прикладной биотехнологии

1ри создании высокопроизводительного обору-ания для интенсивных технологических процес-на стадии концептуальной проработки проекта никает необходимость прогнозирования направ-ий поиска оптимальных решений.

'ассмотрим один из вариантов подхода к реше-> данной задачи через системный анализ.

1юбая система имеет свою специфику, выражен-) через функцию, структуру и связи. Интенсив-ть процессов взаимодействия в структуре систе-энергии и вещества, вещества и вещества, энер-и информации при выполнении целевой функ-характеризуется ее динамическими свойствами. 1амика системы зависит от динамики ее эле-тов [1], связанных между собой каналами едачи энергии, вещества, информации. В систе-; управления динамические свойства элементов сываются шестью типовыми звеньями. Однако они могут быть представлены инерционным ном при соответствующих значениях постоянной мени и структуре соединений. Учитывая универ-ьные свойства инерционного звена и производя омпозицию системы на элементы, можно постро-структуру в виде соединений инерционных ньев (элементов) с передаточной функцией:

ЩР)ц

Х(РЬе

(1)

I — постоянная интенсивности;

Р — комплексное число;

3)в*> (Х(Р)вЫх — изображение входного и выходного параметров энергии, веществ, информации; /=1, 2, 3,..., пг, г =

= 1, 2, 3, ..., п.

Постоянная интенсивности характеризует инерционные свойства элементов и проводимость связей, которые зависят от множества параметров взаимодействующих в элементе энергии и вещества.

В интенсивной системе выполнение целевой функции происходит при меньших затратах энергии и вещества, что соответствует росту ее передаточной функции и низкой устойчивости. Увеличение передаточной функции и уменьшение устойчивости системы являются необходимыми условиями ее интенсификации. Используя методику оценки интенсивных систем, рассмотрим техническую систему, состоящую из оборудования и объекта обработки, обеспечивающих процесс переноса вещества (соли) в структуру продукта (сыр, мясное сырье). Целевой функцией посолки является равномерное распределение соли по объему объекта по заданной концентрации, которую можно представить в общем виде как систему ш отображений:

0, : С1н{ая1,1 №(Р)н[-+С[к{аки} Г (/>)*, 0( С]н \ан^ ЧУ{Р)ні'-+Сік\акіі) Ш (Р)кі

(2)

где

©и : С,„п 0/

СІН' С1*

«ча,- у(р)нГ

-нил) №(Р)нт^Стк{актп} Ш(Р)кт,

преобразование структуры / уровня; начальное и конечное множества параметров, определяющих свойства элементов и связи системы / уровня;

начальная и конечная передаточные функции до и после преобразования структуры.

Іаказ 0266

р

138

: ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ПИЩЕВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ, №1—3,

/=1, 2, 3, т — число иерархических уровней системы,

і'= 1, 2, 3, .... п — число элементов на иерархическом уровне.

Произведем декомпозицию технической системы на следующие иерархические уровни: /= 1 —машина (аппарат); / = 2 — рабочий орган машины; / = 3 — объект обработки (головка сыра, окорок, шкура и т. д.); у = 4 — поверхностный слой объекта; у = 5— структурные элементы (не связанная влага между сырными зернами или мышечными волокнами) ; /=6 — структурные элементы (сырные зерна, мышечное волокно); у = 7 — части структурных элементов: влага внутри мышечных волокон, влага внутри сырных зерен; у = 8— части структурных элементов (конгломераты белка сырных зерен, белок мышечной ткани), а каждый уровень расчленим на п элементов. При этом начальная структура системы I {Сн1п ... СН]П ... Снтп\ может быть представлена в виде соединений между собой передаточных функций элементов (рис. 1) с общей передаточной функцией:

ЧГ (Р)ні = П 2 Г (Я)„

(3)

щ*

т_

#)]£

£

иг

Шві

\щ#_

Рис. 1. Начальная структура системы машина—объект

обработки

Структура I (рис. 1) является экстенсивной системой, поскольку рост ее передаточной функции на /-м иерархическом уровне не сопровождается изменением устойчивости. Для снижения устойчивости необходимо обеспечить динамическое взаимное влияние элементов, например, подводом энергии и вещества в виде пульсирующего или импульсного потока. Преобразованная таким образом структура II системы (рис. 2) будет иметь передаточную функцию:

Ш(Р)т = П ( 2 Г(П-,+2 (Р)^(Пт/+..]/. (4)

Для интенсификации системы (рис. 2) необходимо провести дополнительные структурные преобразования, обеспечивающие дальнейшее снижение устойчивости и выполнение условия:

№(Р\т | >| Г (/>)*„ I. (5)

Условие (5) выполняется при введении X (Р)вх

Рис. 2. Структура системы машина—объект обра-с і взаимным динамическим влиянием на иерархии уровнях

ЬХШ

Щк------И,; [— ~Щ.\

I - у - *

Ши

.. _р,:..

—\нЩ\г—\Щі,

гт ■ | - - г . . -1

Х(Р)Вя/\г

Рис. 3. Структура системы машина—объект обра(

с введением входного параметра на иерархические у

начиная со второго и на последующие иерг ческие уровни структуры II (рис. 2). При этом г чится новая структура III (рис. 3) с передато функцией:

ж{Р)кш = П{2 [1Г(Я)+1](1+ '

,=1 ,=!

+2 2 [1Г(Р)+1]„[^(Я)+1]/(,+п!,.

Для сравнения по интенсивности структур I, I проведем, декомпозицию системы на элем с коэффициентом интенсивности = /„„ = /. ставив в уравнения (3), (4), (5) значения ] даточной функции (I) после преобразований ции для у-го иерархического уровня получим ] даточные функции соответствующих структур:

Структура I Структура II

^(Р)н1

№(Р)Ш

п

/р+Г

п

~ ІР+І

4 2 (« — 1;---------!

(ІР-

Структура III — Ш (Р)ки + 2(я-1)

= п(

/Я 4-1

ІР +1 ^ + >]*■

')+

(9)

Заменив Р на и перейдя к частотным передаточным функциям, найдем амплитудно-частотные характеристики /-го уровня структур І, II, III:

А (ш),

VI +'-и

(10)

ной параметр будет иметь.^кстре,ч?льное значение. Техническая реализация структур II и III требует проведения глубоких исследований влияния свойств исходного сырья и параметров энергии на интенсификацию, т. е. нахождение достаточных условий /;;, обеспечивающих ведение интенсивного процесса.

Эффективность использования энергии и вещества на систему возрастает с увеличением числа рабочих органов машин или элементов воздействия на объект и пористости объекта обработки (дисперсности) на любом иерархическом уровне.

А (ау)и = (-\f\3n —2+(2 — п) /2ау2]2-1- [(4 — 5п)1гш —

-п/даМ!-/2“’2) (П)

А Йш = (УЮп — 8(п + 2) [2и>2+ (Зп — 2) /V] 5 + + [(Зп-20)1ш~п13и>^)/(\ -12и>') (12)

Из уравнений (10), (11), (12) можно видеть, что при п =1 и ш=0 создание технической системы, реализующей введение вещества (соли) внутрь структуры, может повысить интенсивность процесса в 2 раза по сравнению с традиционным способом. Повышение интенсивности диффузии (массообмена) возможно действием на систему переменными (пульсирующими, импульсными) параметрами вещества (концентрация соли) и энергии (давление, скорость, механическое перемещение, акустическое, электромагнитное поле и т. д.). При этом в структуре II можно повысить интенсивность более чем в 3 раза, а в структуре III в 10 раз. Пульсирующие потоки энергии и вещества, воздействующие на структуру,

1

имеют диапазон частот ш при которых выход-

ВЫВОДЫ

1. Использование системного подхода при синтезе структуры интенсивных систем позволяет осуществить прогнозирование направлений научных исследований по созданию оборудования и технологий, обеспечивающих интенсификацию массообменных процессов.

2. Техническая и технологическая реализация воздействия и внедрения в структуру пищевых продуктов пульсирующих (импульсных) потоков вещества и энергии может ускорить их обработку в десятки раз, что подтверждается экспериментальными работами.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сурков В. Д., Михайловский Е. А., Щ е-душнов Е. В., Митин В. В., У сков В. И., Беляков В. И. Исследование структурно-механических изменений в молоке//Изв. вузов СССР, Пищевая технология.— № 6.— 1971.

Кафедра конструирования

машин и САПР Поступила 23.12.89

66.061.4.001.573

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МАССООБМЕНА В ПРОТИВОТОЧНЫХ ТВЕРДОФАЗНЫХ ЭКСТРАКТОРАХ

А. Л. ИГНАТЕНКОВ, И. М. ФЕДОТКИН Киевский ордена Ленина политехнический институт

Конечные концентрации целевого компонента в фазах, получаемые в противоточных твердофазных экстракторах с высокой интенсивностью массообмена, в значительной степени определяются явлением продольного перемешивания. Однако существующие математические модели процессов противоточного экстрагирования в системах с твердой фазой или вообще не рассматривают это явление [1], или учитывают продольное перемешивание лишь по жидкой фазе [2] .

В данной работе представлен метод математиче-:кого моделирования процесса, в котором явления тереноса вещества между твердой частицей и жидкостью рассматриваются в комплексе с явлениями тродольного перемешивания в обеих фазах. Суть метода заключается в объединении разработанных з химической технологии методик расчета противо-гочного массообмена, учитывающих продольное 1еремешивание в обеих фазах и использующих юнятие коэффициента массопередачи с теориями фоцессов твердофазного массообмена. При этом

поток вещества между твердой частицей и жидкостью определяется по соответствующей теории переноса для данной системы с твердой фазой и представляется через коэффициент фазового сопротивления Кт (подобный коэффициенту внутренней массоотдачи в жидкостной экстракции), что позволяет определить коэффициент массопередачи в системе с твердой фазой и через него рассчитать процесс в аппарате с учетом структуры потоков. Метод может быть применен для математического моделирования различных процессов массообмена в системах с твердой фазой (сушка, сорбционные процессы, растворение и др.). Ниже приведена математическая модель процесса противоточного экстрагирования вещества из твердых пористых материалов в аппарате с однородной по высоте структурой потоков фаз.

Модель предполагает расчет потока целевого компонента внутри частицы, взаимодействующей с жидкостью, по теории диффузионного извлечения веществ из твердых пористых материалов [1] и вы-