УДК 66.096.5:66.042.937
к.т.н. Жайлаубаев Ж.Д., Карденов
С.А.
ДГП «Исследовательский центр мясной и молочной промышленности» РГП «НПЦ
перерабатывающей и пищевой промышленности».
г.Семей, Республика Казахстан
КОНВЕКТИВНО-КОНДУКТИВНЫЙ МАССООБМЕН В
ПЕРЕМЕЩАЕМОМ ВИХРЕВОМ СЛОЕ ПРОДУКТА
Интенсификация тепломассообмена актуальная задача при создании аппаратов
для сушки. Понижение температуры зерновой массы ниже 10 0С резко
уменьшает интенсивность физиолого-биохимических процессов, способствует
сохранению исходного качества зерновых продуктов. Скорость охлаждения зерна
лимитируется сравнительно малым температурным напором между зерном и
охлаждающим воздухом. Интенсифицировать процесс охлаждения зерна, повысить его
равномерность можно с использованием псевдоожиженного слоя и при размещении в
нем охлаждающих теплообменных поверхностей.
В качестве объекта исследования выбран кукурузо-зерно, отличающийся от
других зерновых культур спецификой анатомического строения, нестойкостью при
хранении, высокой чувствительностью к нагреву и обезвоживанию, проявляющейся в
трещинообразовании. Опыты проведены на экспериментальных установках
непрерывного и периодического действия.
Экспериментальные установки состоят из камер кольцевого сечения,
оснащенных теплообменными поверхностями, систем подачи теплоносителей в камеры,
измерительных приборов и устройств.
Интенсивность теплообмена между псевдоожиженным слоем и теплообменной
поверхностью во многом будет определяться качеством псевдоожижения, то есть его равномерностью и
однородностью.
Установлено, что секционирование слоя зерна и перемещение его при
вращении улучшает структуру слоя т способствует его равномерному
псевдоожижению. При этом пик давления на кривых псевдоожижения отсутствует, а
расчетные и измеренные значения аэродимического сопротивления слоя кукуруза-зерна
совпадают.
Экспериментальные значения критической скорости псевдоожижения слоя кукурузы-
зерна удовлетворительно описываются известной зависимостью/1/ с учетом
установленного влияния начальной влажности зерна:
Rе=
(1)
При 16,3
Область существования псевдоожиженного
слоя ограничена и при определенных значениях начальной высоты слоя и
влажности зерна наступает образование обмена вещества. Минимальное расстояние
между теплообменными поверхностями можно определить по зависимости
L= 0,17
Н
(2)
Опыт проведены в диапазоне 9,5 и 0,4
Н
L
2?4
Однородность псевдоожижения контролировалась изменением амплитуды и
частоты колебаний локальной плотности теплового потока на поверхности
теплообмена, измеренной при помощи датчиков теплового потока.
При скорости ориентации воздуха до 0,8 м/с слой кукурузы-зерна остается
неподвижны. При этом локальное значение плотности теплового потока также
постоянно в каждом опыте, увеличиваясь при повышении скорости фильтрации
воздуха. В диапазоне скоростей 0,9….1.0м/с наблюдается циркуляция плотных слоев
зерна, амплитуда колебаний локальной плотности теплового потока максимальна.
При дальнейшем увеличении скорости фильтрации воздуха амплитуда
колебаний уменьшается, а частота пульсаций растет. Установлено, что при
скорости 1,6…1,8 м/с величина индекса
«неоднородности» /2/ составляет 4,9….2,6, то есть однородность
псевдоожиженного слоя можно считать удовлетворительной. Полученные этим методом
значения критической скорости псевдоожижения совпадают с величинами критической
скорости псевдоожижения определенными традиционным методом по кривым
псевдоожижения.
На основе проведенных экспериментов определены средние значения
коэффициентов теплоотдачи от слоя зерна
вертикальной теплообменной поверхности в зависимости от различных
режимов псевдоожижения. Максимальное значение среднего коэффициента теплоотдачи
140 Вт/(мК) получено при скорости фильтрации воздуха 1,6…1,8 м/с и отношении высоты слоя к
эквивалентному диаметру 0,9…1,2. По кривым распределения температуры в
псевдоожиженном слое кукурузы-зерна и локальной плотности теплового потока на
вертикальной поверхности теплообмена определена зона активного теплообмена.
Установлено, что зона активного теплообмена составляет 50….60 мм, а локальная
плотность теплового потока принимает максимальные значения на высоте
теплообменной поверхности 80….90 мм от газораспределительной решетки. На основе
проведенных опытов определены основные факторы. влияющие на процесс тепломассобмена в перемещаемом
псевдоожиженном слое капиллярно-пористого материала.
Для расчета процесса конвективно -кондуктивного охлаждения кукурузы -
зерна получены следующие основные уравнения.
(3)
g=18,5О
+29,1t
-3?3
6+6,1
10
Н
-394,9
(4)
О/О
=15,1-0,53О
+1,5t
-1,6t
+6,4Н
(5)
Средняя относительная погрешность этих уравнений составляет
соответственно 10,1, 12,7 и 19,0% среднеквадратическая погрешность- 7,0с, 97,7
Вт/м и 3,2%
В проведенных опытах факторы изменялись в следующих пределах. 18,7 О
31,5
С, 16,1
%
Эти зависимости легли в основу методики расчета процесса охлаждения
зерна при конвективно- кондуктивном теплоотводе. Установлено, что в проведенных
опытах технологические показатели качества зерна остаются неизменными.
На основе результатов проведенных исследований создан промышленный
аппарат для охлаждения кукурузы-зерна в пневдоожиженном слое при
конвективно-кондуктивном теплоотводе производительностью 15 т/ч и снижении
температуры зерна 25….30 до 5 ….10с.
Охладитель зерна установлен на элеваторе в технологической линии послеуборочной
обработки зерна и прошел производственные
испытания.
Обозначение
W W
Начальная и критическая влажность, % L-расстояние между теплообменными
поверхностями, Н
- начальная высота слоя,
- продолжительность охлаждения, О
О
- начальная и конечная температура зерна,с t
-
начальная температура охлаждающего воздуха. C t температура теплообменной поверхности, C V
-скорость
фильтрации воздуха, g
-
плотность теплового потока на поверхности теплообмена, Вт/м
, О
кондуктивный тепловой
поток, О
-общий тепловой поток,
А
-критерий Rе-Архимеда.- критерий
Рейнольдса.
Литература
1.Аэолв М.Э., Тодес О.М.
Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим
зернистым слоем.- Л.: Химия,1968.-512с
2.Айнштейн В.Г., Кваша В.В., Гельперин
Н.И. Основы техники псевдоожжения .-М.:
Химия,1967.-664с.
3. Гинзбург А.С. Основы теории и
техники сушки пищевых продуктов., Пищевая промышленность., 1973.-526 с.
4. Лыков А.В. Тепло-и массообмен в
процессах сушки., М.-Л., Госэнергоиздат.1956.