Кинетика сушки кормовых продуктов растительного происхождения

УДК 664.144

Ю. А. Максименко, С. В. Синяк Астраханский государственный технический университет

КИНЕТИКА СУШКИ КОРМОВЫХ ПРОДУКТОВ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

Для практической проверки теоретических исследований процессов сушки, выбора рационального способа энергоподвода, а также отработки оптимальных режимов сушки были проведены эксперименты по изучению кинетики сушки и влияния основных факторов на ее эффективность.

Кинетику обезвоживания исследовали с помощью вероятностностатистических методов планирования и обработки экспериментальных данных. В качестве целевой функции был выбран съем сухого продукта с единицы площади рабочей поверхности (объема камеры) в единицу времени Y, кг/(м2ч).

Проведены исследования радиационной и конвективной сушки при различных способах подачи продукта на рабочую поверхность или в сушильную камеру.

Установлено, что к основным факторам, влияющим на интенсивность процесса сушки, относятся: исходная концентрация сухих веществ с, кг/кг; диаметр гранул d, м; плотность теплового потока E, кВт/м2; длина волны X max, мкм, соответствующая максимальной интенсивности излучения; начальная t, К, температура подаваемого раствора или продукта t0№ К, а также температура T или t0, К, и скорость сушильного агента V, м/c, при конвективной сушке. Границы варьирования факторов выбраны с учетом технологических ограничений и возможностей технического осуществления процесса сушки.

В результате экспериментальных исследований получены адекватные аппроксимирующие уравнения.

Радиационная сушка (светлые ИК-генераторы КГТ-220-1000, атмосферное давление). Корма для непродуктивных животных (цилиндрические гранулы). Границы варьирования факторов Еп = 2,1—5,7 кВт/м2; d = 0,004-0,01 м; Xmax=1—1,6 мкм.

Y = (a1 • E + a2)• d + a3 • E + a4, где a = 3,626 • 104 • Xmax - 8,146 • 104 • Xmax + 4,52 • 104; a2 = 5,042 • 104 • Xmax -1,312 • 105 • Xmax + 8,478 • 104; аз =-2,198-104 • Xmax + 5,246-104 • X^ -3,048-104; a4 =-160,023• X2„x + 420,174-104 • Xmax -280,856.

H ' IIlaA ' IIlaA '

Конвективная (псевдоожиженная) сушка. Кормовые дрожжи. Границы варьирования факторов: wн = 0,8-0,9 кг/кг; V = 10,82-12,74 м/с; Т = 423-503 К.

У, V,Т) = [(0,23696710914 • Т2 - 230,120562100644 • Т +

+ 55223,49345726) • V2 + (-5,758023266666 • Т2 +

+ 5579,162574933 • Т -1336476,534115) • V + (34,784557009166 • Т2 -

- 33631,6641761 • Т + 8042730,60457)] • w2 +

+ [

+ (-63,7485075995811 • Т2 + 61528,3023032246 • Т --14692696,9816786)] • w + [(0,20098085455 • Т2 --194,294867088794 • Т + 46453,43688418) • V2 +

+ (-4,857587573333 • Т2 + 4687,742627907 • Т --1119196,917406) • V + (29,208543441667 • Т2 -

- 28138,21199573 • Т + 6708732,025221)].

Результаты расчета для различных температур сушильного агента по уравнению (1) приведены на рисунке.

Съем сухого продукта с единицы рабочего объема для кормовых дрожжей: 1 - Т = 423 К; 2 - Т = 473 К; 3 - Т = 503 К

Для математического описания кривых скорости влагоудаления использован многозонный метод [1]. Ниже приведены (в качестве примера) зависимости скорости сушки от влажности и варьируемых параметров для корма для непродуктивных животных:

где г - порядковый номер зоны.

Кинетические коэффициенты скорости сушки:

А = & • Е2 + С. • Е + О, )• й + ¥г • Е2 + ^ • Е + V;

В. = (гг • Е2 + К. • Е + 3. )• й + 2г • Е2 + Ыг • Е + Рг.

При и = 220 В; Хтах = 1 мкм границы действия уравнений

Еп = 2,1-14,5 кВт/м2, й = 0,004-0,01 м.

Граница первой зоны: 0,7 > Ж > 0,63.

Граница второй зоны: 0,63 > Ж > 0,55.

Граница третьей зоны: 0,55 > Ж > 0,3.

Граница четвертой зоны: 0,3 > Ж > 0,17.

Граница пятой зоны: 0,17 > Ж > 0,01.

В 5-й и 4-й зоне при Еп = 5,7 кВт/ м2 и при более высоких значениях происходит подгорание продукта. Значения кинетических коэффициентов сведены в таблицу.

Кинетические коэффициенты

Коэффициент и = 220 В

Номер зоны

1 2 3 4 5

я, 1,3371473 0,136168 -28,2567916 0 0

с, 10,00477601 5,036009 482,8930543 0 0

о, -108,271139 -49,407144 -1828,35885 -20,6423667 -4,5847

У, -0,01009171 0,039326 -0,0946327 0 0

Е, -0,07355268 -0,68534 1,6775436 0 0

V, 0,76673005 2,754936 -6,5101293 0,1612118 0,0364

т, -22,3133732 9,843673 -14,9902697 0 0

К, 392,2755927 -185,657787 269,9356935 0 0

•л -1498,5761 765,065766 -1064,3301 70,6333 22,7667

0,164353 -0,0882 0,1204 0 0

м, -2,879777 1,61467 -2,1536 0 0

Рг 11,043442 -6,542009 8,4186 -0,5414 -0,1705

Данные по коэффициенту влагопроводности и термодиффузии являются отрывочными и не учитывают зависимость от комплекса свойств продуктов, а для большинства продуктов (особенно нетрадиционных) отсутствуют. Данных по коэффициенту молярного переноса пара в литературе практически нет. Это обусловлено отсутствием быстрых методов расчета, что связано со сложностью комплекса явлений при тепломассо-переносе в реальных процессах. Разработан и апробирован численноаналитический метод расчета эволюции полей температур и определения коэффициентов потенциалопроводности и молярного переноса пара с учетом динамики обезвоживания на основе аппроксимации кривых кинетики сушки и свойств продуктов. Получены зависимости массовлагообменных характеристик от варьируемых параметров. Рассчитаны частные поля температур при различных способах сушки продуктов. Отмечена малая величина температурного градиента практически по всему слою продуктов со скачком в пограничном слое у греющей поверхности.

Заключение

Результаты исследований термодинамических закономерностей взаимодействия пищевых продуктов с водой показали, что энтропийная составляющая свободной энергии для ряда растительных продуктов играет значительную роль и свидетельствует о значительной гибкости макромолекул, наличии полупроницаемых мембранных оболочек (клеточных оболочек, стенок мицелл) и ориентационном и осмотическом механизме их взаимодействия с водой.

Выявлен и обоснован механизм внутреннего тепломассопереноса на основе феноменологического подхода и кинетики обезвоживания для продуктов растительного происхождения.

На кривых скорости сушки продуктов растительного происхождения наблюдается аномальный рост скорости при низкой влажности или периодические пики с участками постоянной скорости в течение всего процесса, что объясняется повышением интенсивности удаления осмотической влаги и пара внутри ячеек, мицелл, клеток вследствие периодического разрушения полупроницаемых оболочек клеток или мицелл (парниковый эффект) при повышении внутреннего давления образовании молярных потоков пара, создания существенных градиентов общего давления. Вследствие этого наблюдается снижение энергии связи влаги с материалом, так как осмотическая влага является по своим свойствам «свободной» влагой, удерживаемой механически осмотическими силами и стенками полупроницаемых оболочек, при разрушении которых и наблюдается рост и участки постоянной скорости сушки.

Перемещение влаги к поверхности через сеть микрокапилляров или пленочный каркас осуществляется, в основном, в виде пара, диффундирующего через утончающиеся в процессе обезвоживания пленки жидкости или стенки капилляров, при росте градиента давления пара в слое, что приводит к росту скорости диффузии. Диффузия пара происходит в виде последовательных эквимолярных процессов испарения и конденсации па-

ра на жидких менисках, стенках клеток и мицелл при малых градиентах концентрации и температуры, о чем свидетельствует отсутствие при интенсивной сушке усадки, неизбежной при существенных градиентах влажности. Все это говорит в пользу осциллирующих режимов сушки продуктов, что и реализовано авторами в разработанных способах и сушилках.

Полученные результаты и рекомендации могут быть использованы при создании, рационализации и интенсификации прогрессивных технологических процессов и высокоэффективных промышленных установок.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Алексанян И. Ю. Развитие научных основ процессов высокоинтенсивной сушки продуктов животного и растительного происхождения: Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. - М.: МГУПБ, 2001. - 24 с.

Получено 21.02.05 KINETICS OF PLANT FEEDSTUFF DRYING

Yu. A. Maksimenko, S. V. Sinyak

There were conducted experiments on studying kinetics of plant feedstuff drying in pelleted, atomized, pseudoliquilified state. The experiments were carried out for verification of theoretical investigations of drying processes, choice of rational way of energy supply and optimization of drying conditions as well as an impact studying of main factors on its effectiveness. There was investigated and substantiated mechanism of internal heat mass transport on the basis of phenomenological approach and kinetics of dehydration of plant feedstuff.