Теплофизические характеристики как основа расчета постоянной времени нагрева сахаросодержащих корнеплодов в процессах тепловой обработки

мых элементов в активных фильтрах используются преимущественно мощные МОП-транзисторы или биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).

Принцип действия активных фильтров гармоник основан на том, что они генерируют токи или напряжения гармоник в противофазе с ними и тем самым компенсируют искажения потребляемых токов. Значительный прогресс, достигнутый в последние годы в совершенствовании характеристик силовых полупроводниковых приборов, а также уменьшение их стоимости, сделали активные фильтры гармоник конкурентоспособными с их пассивными аналогами.

Литература

1. Аррилага Дж., Брэдли Д., Боджер П. Гармоники в электрических системах: пер. с англ. - М.: Энерго-атомиздат, 1990.

2. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в сетях электроснабжения промышленных предприятий. - 3-е изд. - М.: Энергоатомиздат, 1994.

3. IEEE recommended practice for monitoring electric power quality. IEEE Std. 1159 - 1995.

4. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

5. Куско А., Томпсон М. Качество энергии в электрических сетях: пер. с англ. - М.: Додэка-XXI, 2008.

6. Stratford R. Analysis and control of harmonic current in systems with static power converters // IEEE trans. On industry applications. - 1981. - Vol. IA-17. - № 1. - P. 71-81.

7. AkagiH. Active harmonic filters. - Proceedings of the IEEE. - 2005. - Vol. 93. - № 12. - P. 2128-2140.

--------♦'-----------

УДК 621.365.46:635.13 И.В. Алтухов, ВД. Очиров

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КАК ОСНОВА РАСЧЕТА ПОСТОЯННОЙ ВРЕМЕНИ НАГРЕВА САХАРОСОДЕРЖАЩИХ КОРНЕПЛОДОВ В ПРОЦЕССАХ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ

Процессы термической обработки играют важную роль в сельскохозяйственной промышленности. Сушка, как один из важнейших этапов технологического процесса производства сельскохозяйственных продуктов растительного происхождения, за последние годы получила широкое распространение. Это обусловлено тем, что полученные продукты хорошо хранятся длительное время и удобны в транспортировке. В статье приведена методика расчета постоянной времени нагрева для плодов моркови, одной из важнейших характеристик при тепловой обработке сахаросодержащих корнеплодов.

Ключевые слова: тепловая обработка, скорость нагрева, постоянная времени нагрева, теплоемкость, плоды моркови.

I.V. Altukhov, V.D. Ochirov

THERMALPHYSIC CHARACTERISTICS AS THE BASIS OF CALCULATION OF THE HEATING TIME CONSTANT OF THE SACCHARIFEROUS ROOT CROPS IN THE THERMAL PROCESSING PROCESSES

Processes of thermal processing play an important role in the agricultural industry. Drying as one of the major stages of technological process of production of the phytogenous agricultural products took a wide hold lately. The reason is that the received products are well stored for a long time and are transportable. The calculation technique for the heating time constant for carrot bearing, one of the major characteristics at thermal processing of the saccha-riferous root crops is given in the article.

Key words: thermal processing, heating speed, heating time constant, thermal capacity, carrot bearing.

В сельскохозяйственной промышленности большую роль играют процессы термической обработки, в том числе сушка. Сушка, как один из важнейших этапов технологического процесса производства сельскохозяйственных продуктов растительного происхождения, за последние годы получила все более широкое распространение. Это обусловлено тем, что полученные продукты хорошо хранятся длительное время и удобны в транспортировке.

Для интенсификации тепловых процессов в сельскохозяйственной промышленности, в том числе и сушки, в последние годы начали применять новые физические методы обработки. Из группы электромагнитных методов наибольшее распространение получили инфракрасные (ИК) лучи. Основным преимуществом применения ИК-излучений является их проникновение в толщу продуктов и создание мощных полей облученности. Это обстоятельство позволяет сокращать продолжительность тепловой обработки и способствует повышению качества готовых изделий. Применение ИК-излучения позволяет легко регулировать и автоматизировать технологические процессы.

Анализ взаимодействия «излучатель-материал» в случае применения ИК-нагрева в технологиях термообработки культивируемых растений представлен необходимостью иметь требования скорости нагрева материала. Предельно допустимую скорость нагрева для конкретного технологического процесса можно определить путем деления предельно допустимой температуры на постоянную времени нагрева единичного материала [4].

Постоянная времени нагрева является одной из важнейших характеристик при тепловой обработке сахаросодержащих корнеплодов. Эта величина в числе показателей, определяющих скорость нагрева материала. Рассмотрим это на примере консервирования пищевых продуктов. В настоящее время разработаны микробиологические основы тепловой стерилизации пищевых продуктов. Основными параметрами, характеризующими процесс стерилизации, является температура, которую нужно поднять и поддерживать в стерилизованном аппарате, и время, в течение которого материалы подвергаются нагреванию. Эти два показателя можно назвать микробиологическими в процессах стерилизации, дезинсекции и пастеризации, поскольку именно ими определяется гибель микроорганизмов. Однако, как нельзя говорить о летальном времени, не учитывая температуру стерилизации, так нельзя говорить и о температуре, не связывая ее со временем, необходимым для такой обработки. Летальные условия для определения вида микроорганизмов определяются сочетанием: летальная температура - время [3]. Как установлено нами, в качестве такого сочетания выступает скорость нагрева продукта, зависящая от физических и геометрических показателей продукта и характеризующая быстроту процесса нагрева.

Постоянная времени нагрева является характеристикой обрабатываемого продукта. Она не зависит от подводимой мощности и численно равна отношению теплоемкости тела к его теплоотдаче:

Г

Т = —,

О

пр

где С - теплоемкость продукта, Дж/0С; 0 - теплоотдача продукта, Дж/°С'с.

Физический смысл постоянной времени нагрева раскрывается следующим определением. Постоянная времени нагрева определяется как такое время, в течение которого превышение температуры продукта достигло бы установившегося значения, если бы не было отдачи теплоты в окружающую среду (адиабатический процесс). Практически при наличии теплоотдачи за время, равное постоянной времени нагрева, пре-

вышение температуры продукта достигает значения, равного 0,632 от установившегося [2].

Уравнение (1) можно переписать в следующий вид:

Т = — = ^~,

а, «-г К)

где с - удельная теплоемкость продукта, Дж/кг°С; М - масса продукта, кг; а - коэффициент теплообмена продукта, Дж/(м2'°С'с); F - площадь внешней поверхности продукта, м2.

Массу продукта можно представить как:

М = р-Г,

где р - плотность продукта, кг/м3; V - объем продукта, м3.

Тогда уравнение для постоянной времени нагрева можно представить в виде:

т=—’т-

а г

V

Обозначим отношение — параметром о, тогда выражение для постоянной времени нагрева запишется так:

Т=С~^'

По своей сути о представляет собой обобщенный показатель геометрической характеристики продукта (морковь, свекла). Этот показатель, как следует из вышеизложенного, можно определить при наличии геометрических размеров продукта.

Однако, как следует из формулы (5), для определения постоянной времени нагрева продукта кроме обобщенного показателя о необходимо иметь данные по его удельной теплоемкости, плотности и теплообмену. Все эти три физических параметра зависят в основном от влагосодержания в продукте. С его увеличением также увеличиваются удельная теплоемкость, плотность и коэффициент теплообмена продукта.

Теплоемкость материала зависит от теплоемкости сухого вещества и воды. Удельная теплоемкость сухих веществ растительного сырья равна 0,733-1,55 Дж/(кг0С).

В связи с тем, что теплоемкость воды С = 4,1868 103 Дж/(кг°С) намного выше теплоемкости сухих веществ, теплоемкость корнеплодов при сушке уменьшается.

Теплоемкость влажных материалов:

_ Сс в  (100 - а>) + СНг<э • со _ Сс в -100 + СЯгО -II и~ 100 ~~ 100 + £/ ’

где Ссв. и Сн о - соответственно теплоемкость сухих веществ материала и воды, Дж/(кг°С); ш и U -

соответственно влажность и влагосодержание материала, %.

Уравнение (6) указывает на линейный характер зависимости теплоемкости от влажности и влагосо-держания материала. При повышении температуры материала теплоемкость увеличивается.

Теория подобия утверждает, что все физические процессы можно описать комбинацией определенных безразмерных величин (критериев), и указывает методы нахождения этих. На основе теории подобия можно приблизительно моделировать процессы тепло- и массообмена [5].

Приведем универсальное уравнение для определения коэффициента конвективного теплообмена, пригодного для любого способа подвода тепла к материалу, охватывающего весь процесс сушки [1]:

N =л-яе п-ктд

где Nu - критерий конвективного теплообмена Нуссельта, характеризующий интенсивность процессов теплообмена между материалом и сушильным агентом; А - постоянная; Ре - критерий Рейнольдса, характеризующий гидродинамические условия протекания процесса; К - видоизмененный критерий Гухмана, определяющий увеличение коэффициента теплоотдачи за счет турболизации воздушного потока паром, образующимся у поверхности материала, т.е. учитывающий влияние массобмена на теплообмен; QR - параметрический критерий, определяющий увеличение коэффициента теплоотдачи за счет уменьшения толщины погра-

„ (О „

ничного слоя с повышением температуры поверхности при радиационной сушке;--------------параметрическии кри-

сок

терий, учитывающий уменьшение коэффициента теплообмена с понижением влажности материала в период падающей скорости сушки; —— критерий, учитывающий условие теплообмена и массобмена при вакуумной

^ <7

сушке материалов; ш - влажность материала в период падающей скорости сушки; шк - критическая влажность материала; Р - давление окружающей среды в камере, кПа; Ро - барометрическое давление, кПа.

Критерий конвективного теплообмена Нуссельта:

^ _ сс • /

где а - коэффициент теплообмена, Вт/(м2'°С); / - определяющий размер поверхности испарения, м; А - коэффициент теплопроводности, Вт/(м'°С).

Критерий Рейнольдса:

Ке = ^к1^1

где Уел - скорость сушильного агента, м/с; у - коэффициент кинематической вязкости, м2/с. Видоизмененный критерий Гухмана:

К = у~,

Т М

где Те - температура сушильного агента, °К; Тм - температура мокрого термометра, °К. Параметрический критерий:

Й = ^. 01)

Т С

где Ти - температура излучателя, °К.

В сушилках для растительного сырья процесс сушки протекает при атмосферном давлении. Тогда Р

Р= Ра И Критерий — = 1.

Из полученного значения Nu, по формуле (7) определяют коэффициент теплообмена:

I

Коэффициент теплообмена характеризует интенсивность подвода тепла, что весьма важно для ускорения процесса сушки. Полученное значение коэффициента теплообмена относится к 1 м2 поверхности материла - Вт/(см2'°С). Гораздо удобнее пользоваться объемным коэффициентом теплообмена, отнесенным к 1 м3 объема сушилки:

р

=а —,

И у, \ 1

где Г - площадь материла, м2; У - объем сушилки, м3.

Подставляя (13) в (12), получим:

(14,

к РУ

Для практических инженерных расчетов используют кривые скорости и температуры сушки, получаемые экспериментально.

Для вычисления постоянной времени нагрева также необходимо знать и геометрические характеристики корнеплодов: объем и площадь внешней поверхности обрабатываемого материала.

Форма плодов моркови и свеклы, нарезанных на специальном приспособлении, принимает фигуру эллипсоидного цилиндра. Его геометрические размеры определяются по формулам:

^ = Р-Я + 2-£,

где Р - периметр фигуры (в мм), вычисляемой с помощью выражения:

Н:И’-

Значения А и В представляют собой размеры фигуры в мм.

Площадь и объем эллипсоидного цилиндра рассчитываются по формулам:

5 = її-А-В;

V = Н5.

Расчетные данные приведены в табл. 1, в которой А, В и С соответственно длина, ширина и толщина единичного продукта.

Таблица 1

Расчетные данные плодов моркови

Вид растения Линейный размер, мм V Р V

А, мм В, мм С, мм

Морковь 25-40 0,5-2 2-4 78,5-1004 235-844 0,33-1,18

Используя вышеизложенную методику для определения постоянной времени нагрева, с помощью вычислительной техники произведен расчет постоянной времени нагрева для плодов моркови в зависимости от их влажности. Данные расчетов приведены в табл. 2.

Таблица 2

Постоянная времени плодов моркови

Материал Относительная влажность ш, % Удельная теплоемкость С, Дж/кг°С Плотность р, кг/м3 Коэффициент теплообмена а, Дж/м2'°К'с Обобщенный показатель — -10“3, м Р Постоянная времени Т, с

14 1940 26-118

20 2080 28-127

30 2320 31-142

40 2550 35-156

Морковь 50 2800 1000-1350 24-26 0,33-1,18 38-171

60 3050 41-186

70 3350 46-205

80 4050 55-248

Выводы

Зная постоянную времени нагрева, можно определить его допустимую скорость, а значит определить оптимальный режим нагрева, который позволит сократить расход энергии и значительно повысить качество готовой продукции в процессах их тепловой обработки.

Литература

1. Лебедев С.П. Электрификация - надежная основа интенсификации сельскохозяйственного производства // Применение электроэнергии в сельском хозяйстве: мат-лы 2-го Всесоюз. метод. совещания. -Тбилиси, 1983. - С. 68-71.

2. Лыков А.В. Теория сушки. - М.: Энергия, 1968. - 471 с.

3. Худоногов А.М. Технология обработки дикорастущего и сельскохозяйственного сырья высококонцен-

трированным инфракрасным нагревом: дис. ... д-ра техн. наук. - Новосибирск, 1989. - 428 с.

4. Худоногов И.А., Худоногова Е.Г. Основы технологии оздоровительного чая. - Иркутск: ИрГУПС, 2006.

- 343 с.

5. Жежеленко И.В. Эффективные режимы работы электротехнических установок. - Киев: Техника, 1987.

- 183 с.

---------♦-----------

УДК 635:631.523 О.В. Ивакин, А.И. Каширский, В.С. Нестяк, А.В. Шипицин

ТЕХНОГЕНЕЗ - ПУТЬ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ РАССАДЫ ОВОЩНЫХ КУЛЬТУР

В статье рассматриваются различные способы выращивания рассады. Предложен новый способ на основе энергетического модульного комплекса, позволяющий добиться получения рассады высокого качества с минимальными затратами.

Ключевые слова: корневая система, рассада, овощная культура, техногенное воздействие, энергетический модульный комплекс.

O.V. Ivakin, A.I. Kashirsky, V.S. Nestyak, A.V. Shipitsin TECHNOGENESIS AS THE WAY TO DECREASE POWER INPUTS IN THE PRODUCTION OF THE VEGETABLE CULTURE SEEDLINGS

Different ways of seedlings cultivation are considered in the article. The new way on the power modular complex basis allowing to harvest high quality seedlings with the minimum expenses is offered.

Key words: root system, seedlings, vegetable culture, technogenic influence, power modular complex.

Характер развития и урожай рассадных культур в открытом грунте в значительной мере обусловлены потерей части корневой системы рассады при пересадке [1]. Ее сохранность не в последнюю очередь зависит от способа выращивания рассады.

Обеспечить сохранность корневой системы можно формированием защитной почвенно-корневой структуры, управляя параметрами ее роста техногенными воздействиями рабочих органов на прикорневой объем почвы и корневую систему рассады непосредственно в процессе ее выращивания [2].

Для реализации метода в традиционную грунтовую технологию вводятся операции по формированию вокруг корневой системы рассады защитных комочков почвы, задающих границы и пространственную ориентацию корневой системе выращиваемого растения [3-4]. В результате одновременного воздействия на