CC BY
6
УДК 53.043:664
Б01: 10.15587/2313-8416.2017.103600
ТЕХН1ЧНА РЕАЛ1ЗАЦ1Я АПАРАТ1В З ВИКОРИСТАННЯМ ПРОЦЕСУ 1НДУКОВАНОГО ТЕПЛОМАСООБМ1НУ
© М. I. Погожих, А. О. Пак, А. В. Пак, М. В. Жеребкш
Обтрунтовано перспективнiсть пошуку «штучних» енерготехнологiчних проце^в. Вiдмiчено iндуко-ваний тепломасообмiн як один iз «штучних» енерготехнологiчних проце^в. Розроблено концептуа-льнi рiшення технiчноi реалгзацИ апаратiв з використанням процесу iндукованого тепломасообмiну для виконання таких технологiчних операцш харчово'1' промисловостi: сушiння; гiдротермiчна обро-бка; випарювання або згущення; ректифiкацiя, переганяння або дистиляцiя; охолодження та тер-мостатування
Ключовi слова: тдукований тепломассообмiн, термостат, колоiдне капшярно-пористе тшо, харчова сировина, реалiзацiя
1. Вступ
На сучасному еташ розвитку галузей промисловосп кра!н свпу юнуе необхвдшсть пошуку нау-кового обгрунтування ршень проблем ефективного використання енергетичних ресурав за умови за-безпечення вимог до еколопчносп виробництв [1]. Усередит проблеми варто видшити так називат енерготехнолопчт процеси [2], тобто таш штучнi ди людини, якi, через певнi посладовносп законiв природи, приводять до кшцевого продукту за раху-нок використання й (або) перетворення одних видiв енерги в iншi [3]. Можна вважати, що I та II закони термодинамiки, а також закони збереження маси, заряду - е обмежувальною областю застосування знань людини для ршення поставлено! проблеми [4]. Необхадно вiдзначити, що будь-якi перетворен-ня теплоти, е необоротними, тобто призводять до зростання ентропii (безладу). Саме цей факт в основному й визначае ефектившсть енерготехнолопчних процесiв, де протжають фазовi переходи речовини I роду [5].
2. Лггературний огляд
При цьому перспективним в рамках всесвггаьо! политики та полiтики Укра!ни в сферi енергоефектив-ностi е пошук «штучних» енерготехнологiчних проце-сш [6], для яких хоча б один або декшька параметрiв або властивостей системи не мають «спорвдненосп» з навколишнiм середовищем [7] i прийняти рiвноважне значения можуть тшьки за умови подолання деякого енергетичного активацiйного бар'ера [8]. Такi проце-си, як правило, характеризуються високою енергоефе-ктивнiстю [9] i екологiчнiстю [10].
Одним iз «штучних» енрготехнологiчних про-цесiв е процес iндукованого тепломасообм!ну (1нТ-МО) [11]. Процес 1нТМО полягае у ефективному роз-^нш теплово! енергii через фазовий перехвд рiдини I роду. До тепершнього часу реалiзацiею процесу Ш-ТМО на практищ був окремий його випадок, який за-стосовувався для зневоднення волого! сировини -сушшня змiшаним теплопiдводом (ЗТП-сушiння) [12]. Однак результати дослiдження процесу IнТМО [11], отримаш на теперiшнiй час, доводять, що мож-ливостi його практичного застосування можуть бути достатньо широкими.
3. Мета та задач1 дослщження
Мета дослвдження - розробка концептуальних рiшень техиiчноi' реалiзацii енергоефективних апарапв з використанням IнТМО для виконання технолопчних операцiй, що застосовуються в харчовш промисловосп.
Для досягнення мети були поставлен наступ-н задача
1. Виявити умови, як! повинш виконувати складов! динашчно! системи для техшчно! реал!заци теплоенергетичних апарапв з використанням процесу ШТМО;
2. Виходячи !з необхадних та достатшх умов оргаиiзацii' процесу IнТМО, розробити концептуальш ршення техтчно! реал!заци апарапв для виконання вадповадних технолопчних операцш, як! застосовуються у харчовш промисловосп.
4. Концептуальн1 р1шення техшчноТ реаль заци апарапв з використанням процесу 1нТМО
Для харчово! промисловосп апарати, що пра-цюють з використанням процесу ШТМО, е теплоене-ргетичними апаратами, як! можуть бути використаш для наступних технолопчних операцш: сушшня; пд-ротерм!чно! обробки; випарювання або згущення; ре-ктифжацп, переганяння або дистиляцп; охолодження або термостатування.
Ефектившсть техтчного ршення при цьому визначаеться певними конструкторськими рiшениями апарату для розсшвання теплоти термостату. Виходячи !з необхвдних ! достатшх умов оргашзацп процесу IнТМО, можна видшити умови, як! повинн виконувати складов! динам!чно! системи для його реа-л!зацп. Такими умовами е:
- наявшсть щонайменше двох р!вноважних
сташв;
- наявшсть енергетичного бар'еру ЕА для реа-л!зацп переходу м!ж станами р!вноваги;
- наявшсть флуктуацп на границ! роздшу м!ж внутршшм та зовшшшм середовищем;
- забезпечення термостатування.
4. 1. Сушшня вологого ККПТ з використанням процесу 1нТМО
Застосування процесу !нТМО для сушшня хар-чово! сировини рослинного та тваринного походження
представлене способом ЗТП-сушiння (рис. 1, а). В да-нiй техшчнш реалiзацii процесу 1нТМО термостатом слад вважати сушильну камеру 3. Ф£ 1 при цьому е тепломасообмшним модулем, який обмежуе внутрь шне середовище термостата, в якому знаходиться во-логе коловдне капiлярно-пористе тшо (ККПТ) 2. Тер-мостатування та масоввдведення забезпечуеться потоком повпря, що омивае Ф£, з визначеною швидшстю та мае температуру, яка дорiвнюе температурi термостата. Роль обтюратора виконуе сировина, яка знаходиться всередиш Ф£ та щшьно прилягае до зазорiв на и поверхнi (рис. 1, а). При цьому виходячи iз можли-вих концептуальних рiшень органiзацii' процесу 1нТ-МО можливi варiацii' технiчноi' реaлiзaцu апаратiв для зневоднення з використанням даного процесу.
б
Рис. 1. Принципа схеми апаратш з використанням процесу 1нТМО для сушння вологого ККПТ: а - з конвективним теплотдведенням; б - кондуктивним теплотдведенням;
1 - функцiональна емшсть; 2 - волога сировина;
3 - сушильна камера
Так шдведення теплоти до внутрiшньоi частини термостата можна органiзувати, наприклад, кондуктивним або радаацшним способом, а обдувания зазорiв з обтюраторами проводити повпрям сушильноi камери (3) з температурою оточуючого середовища - Та=Тт (рис. 1, б). Температура стшок 1, яш обмежують внут-рiшне середовище термостата (ТРС), в якому знаходиться вологе ККПТ 2, дорiвнюе температурi термостата (Т1егто!!Ш). При цьому значимий вплив пщ^ву потоку повггря, що омивае зовшшню поверхню обтю-
ратора, на процес 1нТМО не спостерiгаеться, оскiльки основна функщя повiтря - створювати флуктуацii газового середовища в об'емi обтюратора.
1нша технiчна реалiзацiя базуеться на ввднос-ностi руху: можна рухати сам термостат з обтюратором у газовому середовищ^ яке знаходиться у стан спокою (рис. 2). Так обертаючи на валу 1 з приводом 4 тепломассообмшний модуль 2 з турбулiзаторами 3, який обмежуе внутршне середовище термостата, вь дносно повпря, що знаходиться у сташ спокою, юнуе можливiсть оргашзацп процесу 1нТМО для сушiння вологого ККПТ всередиш тепломасообмшного модуля. При цьому пiдведення теплоти до внутршнього середовища може бути забезпечене конветивним способом вiд повiтря, яке знаходиться всередиш су-шильноi камери 5, або радiацiйним способом (НВЧ, 1Ч, тощо).
Рис. 2. Принципова схема апарату з використанням процесу 1нТМО для сушшня вологого ККПТ з функцюнальною емшстю, що обертаеться: 1 - вал; 2 - функциональна ем-нiсть; 3 - турбулiзатори; 4 - приввд; 5 - сушильна камера
4. 2. Гщротерм1чна обробка вологого ККПТ з використанням процесу 1нТМО
Гiдротермiчна обробка сировини може бути реалiзована шляхом «блокування» процесу 1нТМО (створення умов не достатнiх для його «запуску») для обробки сировини у середовищi з парцiальним тис-ком пари води близьким до тиску насичено1' пари за певно1' температури (наприклад, для проварювання сировини) та наступним «запуском» процесу 1нТМО для зневоднення оброблено1' парою сировини.
Оргашзувати гiдротермiчну обробку можна декiлькома способами. Одним iз способiв е закриван-ня зазорiв з обтюраторами для гiдротермiчноi' обробки сировини та вщкривання 1'х для подальшого су-шiння (рис. 3, а).
1ншим способом е оргaнiзaцiя умов, за яких будуть вiдсутнi флуктуaцii газового середовища в об'емi обтюратора, а «запуск» процесу 1нТМО буде заблокований, для реaлiзaцii гiдротермiчноi обробки, та забезпечення умов «запуску» процесу 1нТМО для сушiння оброблено1' сировини (рис. 3, б). Даний спо-аб може бути оргaнiзовaний якщо буде ввдсутнш рух потоку повiтря вздовж зaзорiв з обтюраторами на по-верхнi стiнок, що обмежують внутршню частину термостата. При цьому пвдведення теплоти до внут-рiшнього середовища термостата оргашзовуеться ко-дуктивним або рaдiaцiйним способом.
б
Рис. 3. Принциповi схеми anapaTiB з використанням процесу 1нТМО для гiдротермiчноï обробки ККПТ: а - способом i3 закриванням зазорш; б - способом i3 зупинкою потоку повпря; 1 - тепломасообмшний модуль; 2 - ККПТ; 3 - робоча камера
4. 3. Випарювання або згущення сировини з високим вмктом системно'1 води з використанням процесу 1нТМО
Провести операци випарювання або згущення сировини з високим вмютом системно1 води (суспен-зи, розчини, тощо) можна у термостату внутpiшнe середовище якого являе закриту eмнiсть iз зазором, в якому розмщений обтюратор (рис. 4).
При цьому обтюратор необхвдно створити штучно, оскшьки самочинне утворення обтюратора iз та-ко1 сировини не можливе. Температуру термостата можна обирати бiльшою за температуру кишння рвди-ни, яку мiстить сировина, без ризику закипания або шдгоряння сировини [13]. Обмеження значень максимально! температури необхiдно накладати лише вихо-дячи iз теpмолaбiльностi нутpiентiв сировини.
Рис. 4. КонцептуалЕт ршення практичного застосування теплоеиеpгетичиих апарапв з використанням процесу 1н-ТМО для випарювання або згущення сировини з високим вмютом системна води: 1 - термостат; 2 - обтюратор
4. 4. Ректифжащя, переганяння або дисти-лящя з використанням процесу 1нТМО
Операци pектифiкaцiï, пеpегaияния або дисти-ляци (розчини, суспензiï, тощо) е операщями з роздь лення рщин з piзними теплофiзичними властивостя-ми, а саме piзними температурами кишння та/або пи-томими теплоемностями та/або питомими теплотами пароутворення.
Оpгaнiзувaти ï\ pеaлiзaцiю з використанням процесу 1нТМО можна в термостатах, внутpiшне середовище яких являе закриту емшсть iз зазором, в якому розмщений штучно створений обтюратор (рис. 5). На рис. 5 наведено приклад роздшення сумiшi трьох рщин з piзною температурою кишння з використанням процесу 1нТМО в термостата Бу-демо вважати, що температури рщин ступенево зростають
T < T < T
evaporl evapor2 evapor3 '
У першому термостaтi (1) проводиться ввд-дiлення рiдини 1 та рщини 2 вiд рiдини 3. Потш повiтря, який виносить пару рвдини 1 та 2 iз термостату 1, надходить до конденсатора 3, де пара рь дин 1 та 2 конденсуються та надходять до другого термостату (4). В другому термостап проводиться вщдшення рiдини 1 ввд рiдини 2. Пара рiдини 1 конденсуеться у конденсaторi 5 та надходить до збiрникa 6. Кшьшсть рiдин, якi пiдлягaють роздь ленню, визначае необхщну кiлькiсть ступенiв «термостат - конденсатор».
а
Рис. 5. Концептуальт ршення практичного застосування теплоенергетичних anapaTiB з використанням процесу 1нТМО для ректифжаци, переганяння або дистиляцп: 1, 4 - термостати; 2 - обтюратор; 3, 5 - конденсатори; 6 - збipник для piдини
4.5. Охолодження та термостатування з використанням процесу 1нТМО
Оргашзащя охолодження та термостатування можлива завдяки наявносп високих град!енпв тем-ператури в ККПТ у внутршнш частин термостата п!д час процесу IнТМО.
Так р!зниця температур м!ж шарами волого ККПТ всередиш термостата шд час ЫМО на в^стан 5...10 мм може досягати 50...60 % в!д температури термостата (за температури термостата менше 100 °С). Оргашзащя термостатування можлива завдяки такш особливосп процесу ШТМО, як сталтсть температури р!дини за умови наявносп певно! Г! шлькосп у внут-ршнш частин термостату (рис. 6). При цьому процес китння р!дини ввдсутнш навпъ за температури термостата бшьшо! за температуру китння дано! р!дини.
Рис. 6. Концептуальш ршення практичного застосування теплоенергетичних агара™ з використанням процесу 1н-ТМО для охолодження та термостатування: 1 - термостат; 2 - обтюратор; 3 - емшсть для сировини, яка тдлягае охо-лодженню або термостатуванню
5. Результата дослвджень та ïx обговорення
Виходячи iз необхiдних та достатшх умов для pеaлiзaцiï процесу 1нТМО, 1'х технiчну pеaлiзaцiю
слад обирати у вiдповiдностi до мети, яку покладено в основу технологiчноï обробки сировини, вимог до якосп отpимувaноï продукцп та енегоефективностi використовуваних пpоцесiв та обладнання.
Анaлiз способiв pеaлiзaцiï' умов для оргашза-цп процесу 1нТМО надав можливiсть розробки кон-цептуальних piшень пpaктичноï pеaлiзaцiï теплоенергетичних aпapaтiв з використанням даного процесу для виконання наступних технолопчних операцш харчово1' пpомисловостi:
- сушшня вологого ККПТ;
- гiдpотеpмiчнa обробка вологого ККПТ;
- випарювання або згущення сировини з висо-ким вмiстом системно!' води; ректифшащя, переганяння або дистиляцiя розчишв, суспензiй, тощо;
- охолодження та термостатування харчово1' сировини та продукпв.
Нaведенi piшення практично1' pеaлiзaцiï дово-дять, що такий «штучний» енерготехнолопчний процес як процес 1нТМО е процесом iз широкими можливос-тями його застосування.
При цьому головними його перевагами е ушверсальшсть кеpовaнiсть та енергоефектившсть.
6. Висновки
1. Виявлет необхiднi та достaтнi умови для складових динaмiчноï системи, якi надають можли-вiсть технiчноï pеaлiзaцiï теплоенергетичних апарапв з використанням процесу 1нТМО.
2. Розроблеш концептуaльнi piшення практич-но1' pеaлiзaцiï енергоефективних aпapaтiв з використанням процесу 1нТМО для виконання таких технолопчних операцш харчово1' промисловосп, як сушшня, гiдpотеpмiчнa обробка, випарювання, згущення, ректифшащя, переганяння, дистиляцiя, охолодження та термостатування.
Лпература
1. Энерготехнологические процессы. Проблемы и перспективы [Текст] / ред. Л. В. Лысенко. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000. - 190 с.
2. Амерханов, Р. А. Теплоэнергетические установки и системы сельского хозяйства [Текст] / Р. А. Амерханов, А. С. Бессараб, Б. Х. Драганов, С. П. Рудобашта, Г. Г. Шишко; ред. Б. Х. Драганов. - М.: Колос-Пресс, 2002. - 423 с.
3. Быков, Г. А. Системный анализ термодинамики энерготехнологических процессов тепловых машин [Текст] / Г. А. Быков, О. Г. Быкова, В. Ю. Лупашевская // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. - 2010. - № 12 (82). - С. 37-42.
4. Grandy, W. T. Jr. Entropy and the Time Evolution of Macroscopic Systems [Text] / W. T. Jr. Grandy. - Oxford: Oxford University Press, 2008. - P. 55-58. doi: 10.1093/acprof:oso/9780199546176.001.0001
5. Schmidt-Rohr, K. Expansion Work without the External Pressure and Thermodynamics in Terms of Quasistatic Irreversible Processes [Text] / K. Schmidt-Rohr // Journal of Chemical Education. - 2014. - Vol. 91, Issue 3. - P. 402-409. doi: 10.1021/ed3008704
6. Нацюнальний план дш з вщновлювано! енергетики на перюд до 2020 року [Електронний ресурс]. - Державне агентство з енергозбереження та енергоефективносл Украши. - Режим доступу: http://saee.gov.ua/sites/default/files/documents/ Presentation_NAPRES_Norw_OCT_3_ukr.pdf
7. Saha, A. Entropy production theorems and some consequences [Text] / A. Saha, S. Lahiri, A. M. Jayannavar // Physical Review E. - 2009. - Vol. 80, Issue 1. - P. 1-10. doi: 10.1103/physreve.80.011117
8. Nagesha, N. Barriers to energy efficiency in small industry clusters: Multi-criteria-based prioritization using the analytic hierarchy process [Text] / N. Nagesha, P. Balachandra // Energy. - 2006. - Vol. 31, Issue 12. - P. 1969-1983. doi: 10.1016/ j.energy.2005.07.002
9. Patterson, M. G. What is energy efficiency? [Text] / M. G. Patterson // Energy policy. - 1996. - Vol. 24, Issue 5. - P. 377390. doi: 10.1016/0301-4215(96)00017-1
10. Gillingham, K. Energy efficiency economics and policy [Text] / K. Gillingham, R. G. Newell, K. Palmer // Annual Review of Resource Economics. - 2009. - Vol. 1, Issue 1. - P. 597-620. doi: 10.1146/annurev.resource.102308.124234
11. Pogozhikh, M. The development of an artificial energotechnological process with the induced heat and mass transfer [Text] / M. Pogozhikh, A. Pak // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. - 2017. - Vol. 1, Issue 8 (85). - P. 50-57. doi: 10.15587/1729-4061.2017.91748
12. Погожих, M. I. Сушшня плодово-япдно! сировини способом змппаного теплотдводу 3i штучним пороутворен-ням [Текст]: монографм /М. I. Погожих, А. О. Пак, М. М. Цуркан. X.: ХДУХТ, 2009. - 102 с.
13. Погожих, М. I. Характер процесу 1НТМО за температури термостата бшьшо! за температуру китння рiдини у його внутршньому середовищi [Текст]: тези всеукр. наук.-пр. конф. / М. I. Погожих, А. О. Пак, А. В. Пак // Проблеми енер-гоефективносп та якосп в процесах сушння харчово! сировини. - Х.: ХДУХТ, 2017. - С. 45-46.
Дата надходженнярукопису 28.04.2017
Погожих Микола 1ванович, доктор техшчних наук, професор, заыдувач кафедри, кафедра фiзико-математичних та шженерно-техтчних дисциплш, Харшвський державний ушверситет харчування та тор-пвлу вул. Клочшвська, 333, м. Харшв, Укра!на, 61051 E-mail: [email protected]
Пак Андрш Олегович, кандидат техшчних наук, доцент, кафедра фiзико-математичних та шженерно-техтчних дисциплш, Харшвський державний ушверситет харчування та торпвлу вул. Клочшвська, 333, м. Харшв, Укра!на, 61051 E-mail: [email protected]
Пак Алша Володимирiвна, кандидат технчних наук, викладач, кафедра товарознавства та експертизи якосп товарiв, Харшвський торговельно-економiчний шститут Кшвського нацюнального торговельно-економiчного унiверситету, пров. Отакара Яроша, 8, м. Харкiв, Укра!на, 61045 E-mail: [email protected]
Жеребкiн Максим Васильович, кандидат техшчних наук, асистент, кафедра холодильно! i торговельно! техшки та прикладно! механiки, Харкiвський державний ушверситет харчування та торпвлу вул. Клочшвська, 333, м. Харшв, Укра!на, 61051 E-mail: [email protected]
