Исследование процесса конвективной сушки растительного сырья

УДК 664.8.66.047

Исследование процесса конвективной сушки растительного сырья

Ш. А. СУЛТАНОВА

Ташкентский государственный технический университет

Основу получения качественного продукта составляют технологические системы, имеющие сложную структурно-функциональную организацию. Как правило, объектом управления в этих системах являются конкретные технологические процессы [1]. Качественную сушку термолабильных продуктов, например, лекарственных растений, следует выполнять, строго контролируя и регулируя все параметры процесса, включая температуру объектов обезвоживания [2—4]. Определить поля температур в витающих тонкодисперсных частицах при значительной интенсивности процесса сушки экспериментально невозможно, а значит, очевидна необходимость реализации математической модели тепломассопере-носа с целью расчета температур в каждой пространственной точке в течение всего процесса сушки [5]. При внедрении рациональных режимов и конструкций аппаратов для сушки в первую очередь необходимо обеспечить на практике условия для получения требуемых технологических характеристик высушиваемого материала [6, 7].

Цель данного исследования — изучение профилей температурного поля процесса конвективной сушки растительного сырья для получения качественной продукции. В качестве варьируемых факторов выбираем относительный расход воздуха через сушильную установку и коэффициент, выражающий интенсив-

Количество поддонов

— Температура теплоносителя

— Температура газовой фазы

• • • Профиль температуры по материалу

Рис. 1. Режим с положительным наклоном профиля температуры

ность теплообмена между газовой фазой и высушиваемым материалом. При этом остальные параметры, выражающие конструктивные и эксплуатационные особенности, считаем неизменными. Диапазон варьирования принимаем равным от 0,5 до 1,5 их номинальных значений.

Отдельные результаты, приведенные на рис. 1 и 2, показывают, что профиль температуры материала по высоте может быть как возрастающим, так и понижающимся.

В качестве критерия неравномерности распределения температуры по поддонам, наряду со средним значением температуры ^ ), принимаем дисперсию значении температуры tdisT и коэффициент пропорциональности в формуле линейной аппроксимации температурного профиля.

Результаты исследований в указанных диапазонах приведены на рис. 3—6.

Связь между критериями неравномерности профилей имеет частичную взаимообусловленность. В частности, дисперсия температуры и угол наклона выравненного профиля почти коррелированы, однако в отличие от угла наклона (который может быть равным нулю, что является идеальным для сушки с точки зрения одинакового по поддонам профиля) дисперсия имеет некоторую гистерезисную зону. Это соответствует тому, что всегда остается некоторая остаточная

Количество поддонов

— Температура теплоносителя

— Температура газовой фазы

• • • Профиль температуры по материалу

Рис. 2. Режим с отрицательным наклоном профиля температуры

msr

65

45 0,025

0,02

0,015 д — даг 0,01

0,005 0

0,6 ктд

Рис. 3. Поверхность средних значений температуры материала по поддонам

0

0,03

^врвтуа

4

0,01 д—даг

0^ 02 0,3 0,4 0,5

0,1 0,2 ктд

0,6 0,7

Рис. 5. Поверхность критерия Т

dispersiya

г

0,008 0,01 0,012 0,014 0,016 0,018 0,02 ктд

Рис. 7. Зона с минимальным дном по значениям дисперсии

неравномерность, которую можно наблюдать при повышении числа сканирования (рис. 7).

На практике проектирования не только сушильных установок, но и вообще аппаратов с межфазным обменом возникает необходимость выбора варьируемых

пак1оп 2

0,02

0,015 д — даг 0,01

0,005 0

0,6 ктд

Рис. 4. Поверхность, выражающая положительные и отрицательные значения наклона профиля температуры

/ 0,49119

0,827:

0,008 0,01 0,012 0,014 0,016 0,018 0,02 ктд

Рис. 6. Изолиния ТШреЫуа

оптимизируемых переменных, исходя из требований равенства среднего значения температуры некоторому заданному в соответствии с технологическим регламентом значению и обеспечения минимального наклона. Иногда возникает необходимость обеспечения некоторого компромисса между этими показателями с точки зрения энергетической эффективности. Для решения указанных задач в качестве инженерного метода предлагается номограмма, представленная на рис. 8.

Кроме того, номограмма позволяет выбирать соответствующие значения параметров технологического режима и условий контакта фаз (с возрастающим или понижающимся характером) (рис. 9).

Взаимосвязь между критериями неравномерности наглядно проявляется при сравнении вариантов оптимизации по различным критериям. Для решения оптимизационной задачи по критерию минимизации квадрата наклона минимизация по дисперсии температуры материала дает незначительные отклонения:

goptimal = 0,3833 ^рШпа! = 0,°124.

Таким образом, по результатам исследования

свойств высушиваемой продукции найдены: допусти-

Tmsr + Tdii

Tmsr + naklon

0,008 0,01 0,012 0,014 0,016 0,018 0,02 ктд

Рис. 8. Номограмма для расчета заданного профиля температуры

0,008 0,01 0,012 0,014 0,016 0,018 0,02 kmg

Рис. 9. Номограмма для определения оптимальных Tsr и наклона

мая температура, время сушки, выбран рациональный вариант водонагревательной сушильной установки с конвективным теплоподводом. Осуществлено математическое моделирование температурного поля на основе трехфазной структуры потоков. В широком диапазоне варьирования конструктивных и режимных параметров (от 50 до 150%) идентифицированы их номинальные значения.

Обнаружена качественно новая картина температурного поля, выражающаяся в том, что в зависимости от условий контакта газовой и твердой фаз и относительного расхода воздуха профиль температуры по поддонам может иметь как положительный, так и отрицательный наклон. Показана чувствительность указанной взаимосвязи, формализованной в виде

аксонометрических графиков и соответствующих семейств изолиний на плоскости варьируемых факторов.

Найдены критерии неравномерности профилей температуры по поддонам (дисперсии температуры материала и угла наклона аппроксимирующей прямой при фиксированных значениях средней температуры субстанции). Предложена инженерная методика выбора отдельных режимных и конструктивных параметров установки на основе предложенных номограмм. Обоснована процедура решения оптимизационной задачи на условиях минимума критерия неравномерности профиля материала при ограничении в виде равенства средней температуры материала, заданному по условиям технологического регламента.

Литература

1. Губа, О. Е. Расчет температурных полей в высушиваемой частице при распылительной сушке термолабильных материалов путем реализации математической модели тепломассопереноса / О. Е. Губа, Г. Б. Абуова, Е. М. Дерба-сова // Вестник Череповецкого государственного университета. — 2016. — № 4. — С. 7-11.

2. Алексанян, И. Ю. Распылительная сушилка / И. Ю. Алек-санян // Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК — продукты здорового питания. — 2015. — № 2 (6). — С. 55-59.

3. Алексанян, И. Ю. Распылительная сушилка / И. Ю. Алексанян // Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК — продукты здорового питания. — 2015. — № 1 (5). — С. 61-66.

4. Губа, О. Е. Совершенствование и научное обоснование способа сушки яичных продуктов / О. Е. Губа: дис. канд. техн. наук. — Воронеж, 2015. — 220 с.

5. Губа, О. Е. Исследование кинетики распылительной сушки меланжа с учетом влияния основных факторов на интенсивность тепломассообмена / О. Е. Губа, Ю. А. Мак-сименко // Естественные и технические науки. — 2014. — № 7 (75). — С. 72-74.

References

1. Guba O. E., Abuova G. B., Derbasova E. M. [Calculation of temperature fields in the dried particle during spray drying of thermolabile materials by implementing the mathematical model of heat and mass transfer]. Vestnik Cherepovetskogo gosudarstvennogo universiteta, 2016, no. 4, pp. 7—11.

2. Aleksanyan I. Yu. [Spray dryer]. Tekhnologiipishchevoi ipere-rabatyvayushchei promyshlennosti APK — produkty zdorovogo pitaniya, 2015, no. 2

3. Aleksanyan I. Yu. [Spray dryer]. Tekhnologii pishchevoi i pere-rabatyvayushchei promyshlennosti APK — produkty zdorovogo pitaniya, 2015, no. 1

4. Guba O. E. Sovershenstvovanie i nauchnoe obosnovanie spo-soba sushki yaichnykh produktov: Dis. kand. tekhn. nauk [Perfection and scientific substantiation of the method of drying egg products: Cand. Diss. (Techn. Sci.)]. Voronezh, 2015. 220 p.

5. Guba O. E., Maksimenko Yu. A. [Investigation of the kinetics of spray drying of melange, taking into account the influence of the main factors on the intensity of heat and mass transfer]. Estestvennye i tekhnicheskie nauki, 2014, no. 7

6. Султанова, Ш. А. Разработка конвективной сушильной установки контейнерного типа предназначенной для лекарственных растений / Ш. А. Султанова // Химическая технология. Контроль и управление. — 2017. — № 1 (73). — С. 36-40.

7. Сафаров, Ж. Э. Разработка технологической схемы переработки клубней топинамбура и плодов шиповника / Ж. Э. Сафаров // Пищевая промышленность. — 2016. — № 3. — С. 38-40.

6. Sultanova Sh. A. [The development of a container-type convection dryer designed for medicinal plants]. Khimicheskaya tekhnologiya. Kontrol'i upravlenie, 2017, no. 1

7. Safarov Zh. E. [Development of a technological scheme for the processing tubers of Jerusalem artichoke and hips]. Pish-chevayapromyshlennost', 2016, no. 3, pp. 38—40.

Исследование процесса конвективной сушки растительного сырья

Ключевые слова

диффузия; профиль; сушка; температура; температурное поле; теплоноситель; технология.

Реферат

В статье изложены результаты исследований, проведенных с применением водонагревательной сушильной установки. Приведены полученные данные на основании кривых сорбции и десорбции: формы связи влаги с материалом, критический диаметр пор и их гигроскопические свойства для определения допустимой степени влажности материала. По результатам исследования свойств высушиваемой продукции найдены: допустимая температура, время сушки, выбран рациональный вариант водонагревательной сушильной установки с конвективным теплоподводом. Проведено математическое моделирование температурного поля на основе трехфазной структуры потоков. В широком диапазоне варьирования конструктивных и режимных параметров (от 50 до 150%) идентифицированы их номинальные значения. Обнаружена качественно новая картина температурного поля, выражающаяся в том, что в зависимости от условий контакта газовой и твердой фаз и относительного расхода воздуха профиль температуры по поддонам может иметь как положительный, так и отрицательный наклон. Показана чувствительность указанной взаимосвязи, формализованной в виде аксонометрических графиков и соответствующих семейств изолиний на плоскости варьируемых факторов. Найдены критерии неравномерности профилей температуры по поддонам (дисперсии температуры материала и угла наклона аппроксимирующей прямой при фиксированных значениях средней температуры субстанции). Предложена инженерная методика выбора отдельных режимных и конструктивных параметров установки на основе предложенных номограмм. Обоснована процедура решения оптимизационной задачи.

Автор

Султанова Шахноза Абдувахитовна

Ташкентский государственный технический университет,

100095, Республика Узбекистан, г. Ташкент,

ул. Университетская, д. 2, sh.sultanova@yahoo.com

Research of the Process of Convective Drying of Plant Raw Materials

Key words

diffusion; profile; drying; temperature; temperature field; coolant; technology.

Abstract

The article describes the results of a water-heating dryer. The obtained data are presented on the basis of the sorption and desorption curves: the form of the bond of moisture to the material, the critical pore diameter and their hygroscopic properties, to determine the permissible moisture content of the material. Based on the results of the study of the properties of the dried products, the permissible temperature, drying time were found, and on this basis a rational version of a water heating dryer with a convective heat supply was chosen. The mathematical modeling of the temperature field on the basis of the three-phase flow structure is carried out. In a wide range of variation of design and regime parameters (from 50 to 150%), their nominal values were identified. A qualitatively new picture of the temperature field is revealed, which is manifested in the fact that, depending on the conditions of contact between the gas and solid phases and the relative air flow, the temperature profile along the pallets can have both a positive and negative slope. The sensitivity of this relationship is shown, formalized in the form of axonometric graphs and corresponding families of isolines in the plane of variable factors. The authors found the criteria for the non-uniformity of the temperature profiles by the pallets (the dispersion of the material temperature and the slope of the approximating straight line for fixed values of the average temperature of the substance). An engineering method for selecting separate regime and design parameters of the installation based on the proposed nomograms is proposed. The procedure for solving the optimization problem is proved.

Author

Sultanova Shakhnoza Abduvakhitovna Tashkent State Technical University, 2 University st., Tashkent, 100095, Republic of Uzbekistan, sh.sultanova@yahoo.com