УДК 536.24.001

 

ТЕПЛО-МАССОПЕРЕНОС ПРИ ТЕРМООБРАБОТКИ

МАТЕРИАЛОВ В ПЛОТНОМ СЛОЕ

 

Жайлаубаев Ж.Д.

 

ДГП «Исследовательский центр мясной и молочной промышленности»

РГП «НПЦ перерабатывающей и пищевой промышленности»

 

            Допуская, что толстый плотный слой зернистого материала в процессе сушки можно рассматривать как ряд тонких (элементарных) слоев, в которых изменения всех параметров по высоте бесконечно малы, балансовым последовательным расчетом можно получить решению для процесса сушки слоя зернистого материала любой толщины. Для успешного применения этого метода необходимо математически описать кривые сушки тонкого слоя и затем путем последовательного балансового расчета отдельных слоев решить задачу в целом.

         В литературе /1/ можно найти несколько моделей балансового расчета процесса сушки толстого слоя зернистого материала, но решение для скорости сушки элементарного слоя, необходимое для данного случая скорости сушки элементарного слоя, необходимое для данного случая отсутствует.

         Исследование процесса сушки тонкого слоя зернистого капиллярнопористого коллоидного материала в настоящей работе основывается на следующем.

         При сушке исследуемых материалов уменьшается в течение всего процесса, внутреннее сопротивление переносу влаги больше всего. Для точного определения тепло-и массопереноса в зерне исследование поставлено определению скорости сушки на основании кинетики сушки.

         Конвективный влагоперенос в тонком слое зернистого материала описывается выражением для скорости сушки.

                                                                                                   (1)

При течении воздуха через слой зернистого материала толщина пограничного слоя весьма мала из-за внезапных изменений сечения каналов в слое и направления потока. Вследствие этого в периоде убывающей скорости сушки влагоперенос жидкости  в зерне меньше, чем конвективный влагоперенос водяного пара с поверхности зерна, и можно обнаружить углубление зоны испарения в зерне.

         Плотность потока влаги на поверхности зерна определяется выражением

                                                  g= аm (                                                     (2)

         Поскольку профиль влажности в осушенной зоне  (кривая А а В, рис. 1 можно аппроксимировать линейной зависимостью (А в В), уравнение (2) можно представить  в следующем виде:

                                                  =                                                       (3)

       Приближенное выражение для скорости сушки тонкого слоя зернистого материала записывается следующим образом:

                              -                                                               (4)            

или в общем виде

                           -                                                                           (5)

         По уравнениям (4) и (5) коэффициент внутреннего влагопереноса К зависит от размеров и вида зерна, упаковки слоя, коэффициента диффузии влаги в осушенной зоне (поверхностного влагосодержания и температуры материала), а также от глубины зоны испарения.

         У пшеницы, кукурузы и аналогичных, материалов с относительно низкими значениями влагосодержания не обнаруживается большие градиенты температуры в зерне в процессе сушки, и поэтому можно пользоваться средней температурой зерна О вместо температуры осушенной зону. Отношение    /рис.1/ определяет глубину зоны испарения, и поэтому эмпирическое выражение для коэффициента внутреннего влагопереноса может быть следующим:

                                                            К=f ()                                                 (6)

         Пользуясь уравнением (5), значении коэффициента К определяет методом графического дифференцирования кривых сушки. График зависимости (6) для пшеницы получен экспериментально и приведен на рис.2 а аналитически эту зависимость можно записать /6/:

                                      К= (0,247 2  - 11,1  + 166,7) 10-6  (                      ( 7 )

         Коэффициент внутреннего влагопереноса Котличается от коэффициента сушки, который введен А.В. Лыковым /7/, так как описывает только внутренний влагоперенос в зерне и для определенного материала зависит только от его температуры и отношения среднего влагосодержания в определенный момент времени к среднему начальному влагосодержанию зерна.

         Для расчета процесса сушки – толстого слоя зернистого материала была использована модель с учетом изменений, которые главным образом относятся к уравнению скорости сушки тонкого слоя зернистого материала. Математическая модель описывается дифференциальными уравнениями, которые получены из теплового и массового балансов в элементарном элементе слоя зернистого материала:

                                               ;                                            (8)

                            ;                           (9)

                                                     · ;                                                    (10)

                                                  ;                                              (11)

Уравнения системы (8)-(11) получены из баланса антальпии воздуха и зерна, а вторые два – из баланса влаги в воздухе и зерне.

         Парциальное давление водяного пара на поверхности зерна, которое должно известно для решения уравнения (11), меняется в течение времени в зависимости от скорости сушки и определяется балансом массы на поверхности

                                                    )                                   (12) 

Pи P   связаны уравнением изотермы десорбции зернистого материала (Us=Ur(Ф)).

         Систему уравнений (8)-(11) невозможно решить аналитическим путем, поэтому применялись машина для получения численного решения задачи. Этим методом можно получить данные о среднем и локальном влагосодержании зерна  в слое, локальной температуре зерна и воздуха, локальной абсолютной и относительной влажности воздуха в процессе сушки, а также данные о количестве испаренной влаги и расходе тепла на 1 кг, испаренной влаги.

         Описанный метод применяется при исследовании кинетики сушки пшеницы и кукурузы /6/ и некоторых сортов овощей. Решения, полученные расчетом на модели, очень хорошо совпадают с экспериментальными результатами. В качестве примера решений, которые получены расчетным путем, температуры воздуха и материала, абсолютные значения влажности воздуха и влажности материала при сушке толстого слоя пшеницы. Значительные градиенты всех параметров, а также эффект конденсации в начальном периоде сушки основываются на перемене средних значений параметров всего толстого слоя.

         Рассмотренный метод можно применять для описания процесса сушки различных зернистых материалов, причем для каждого материала по кинетике сушки определяется коэффициент внутреннего влагопереноса. Математическая модель процесса сушки толстого слоя зернистого материала остается постоянной для всех зернистых материалов.

         Основное преимущество такого подхода ,вероятно, в том, что вполне допустимо пользоваться средними параметрами зерна для исследовании внутренних процессов массообмена. Такой метод значительно облегчает проверку фундаментальных физико-математических  моделей тепло-массопереноса, а также значений коэффициентов массопереноса.

Обозначения

а-коэффициент диффузии влаги, м/с; с- удельная теплоемкость, Дж/кг.град; G-расход сухого материала, кг/м.с; Н-абсолютная влажность воздуха, кг/кг,  К-коэффициент внутреннего влагопереноса, с,р-парциальное давление  водяного пара. Н/м,g- плотность потока масс, кг/мr-теплота испарения, Дж/кг,S-удельная поверхность зернистого слоя,м,t-температура воздуха, С.

                                                                Литература

1.     Лыков А.В. Теория сушки, М., «Энергия», 1968 .

2.     Гинзбург А.С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов, М., «Пищевая промышленность» 1973.-506с.

3.     Аэров М.Э., Тодес О.М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем, Л., «Химия», 1968.

 

На научную конференцию «Новости научной мысли - 2007»

С 9-10 ноября 2007 г. Болгария

Сектор: Энергетика

Просим Вас выслать счет на оплату тезиса по адресу:

E-mail: nikimmp@mail.ru

Казахстан. Восточно-Казахстанская область

г. Семей 071412 ул. Би-Боранбая 45Б, кв.65, тел. 8 7222  33-45-98; 34-26-15

ДГП «Исследовательский центр мясной и молочной промышленности»

РГП «НПЦ перерабатывающей и пищевой промышленности»