Расчет энергосберегающего процесса сушки кубиков клубней топинамбура в слое

УДК 631.243

РАСЧЕТ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО ПРОЦЕССА СУШКИ КУБИКОВ КЛУБНЕЙ ТОПИНАМБУРА В СЛОЕ

© 2015 г. А.В. Голубкович, А.Г. Чижиков

Целью работы являлось экспериментальное и расчетное определение времени сушки измельченных клубней топинамбура в виде кубиков размером бхбхб мм в слое высотой до 100 мм применительно к их сушке на ленточных и конвейерных сушилках. Также изучены пути энергосбережения при реализации процесса сушки.

Существующие технические средства сушки клубней топинамбура используют постоянные режимы по температуре и скорости теплоносителя, что не позволяет осуществлять переменные режимы с увеличением температуры и снижением скорости теплоносителя (по мере уменьшения влажности материала при продолжительности его высушивания, исчисляемой часами). Известные методы расчета содержат ряд трудноопределимых параметров, что затрудняет их использование для исследуемого процесса.

Проведены эксперименты по сушке кубиков в монослое (1-2 кубика), показавшие, что процесс сушки можно разделить на три этапа в периодах постоянной и переменной скоростей сушки, для которых определены значения эквивалентных коэффициентов теплопроводности.

Предлагаемый расчет времени сушки основан на уравнении теплопередачи в плоском ограниченном слое при усредненных значениях для каждого отрезка удельной поверхности материала, разности его температур и влагосодержаний.

Энергосбережение обеспечивается тем, что температуру агента сушки (теплоносителя) выбирают из условия достижения температуры частиц материала, равной около 60 °С, а скорость агента сушки снижают по ходу процесса. При этом скорости теплоносителя, обеспечивающие энергосбережение, на первом этапе составляют 0,65, на втором и третьем - 0,40 и 0,25 м/с. В сумме это обеспечивает экономию энергии порядка 20-25%.

Для реализации предложенных режимов сушки рекомендуется использовать трехъярусные ленточные или конвейерные сушилки с найденной скоростью теплоносителя по ярусам.

Ключевые слова: топинамбур, клубни, кубики, сушка, время, расчет, параметры, энергосбережение.

The purpose of this work was experimental and computational determination of drying time of Jerusalem artichoke crushed tubers in the form of cubes of 6х6х6 mm size in the layer up to 100 mm height applting to their drying on a belt and conveyor dryers. Also there are explored energy saving ways in the drying process.

Existing technical means of drying the Jerusalem artichoke tubers use permanent regimes of temperature and coolant flow rate, which does not allow variable modes with increasing temperature and decreasing the coolant flow rate (decreasing the material moisture content during the its drying duration, estimated by hours). Known calculation methods contain a number of nondescript parameters, that complicates their use for the studied process.

Experiments on cubes drying in the monolayer (1 -2 cubes) has shown that the drying process can be divided into three phases in periods of constant and variable speeds drying, for which there were calculated values of equivalent thermal conductivity.

The proposed calculation of drying time is based on the equation of heat transfer in flat limited layer when the averaged values for each material specific surface segment, its temperature difference and moisture content.

Energy conservation is ensured by the fact that the drying agent (carrier) temperature is chosen from a condition that particles temperature achieve the temperature of about 60 °C, and the speed of drying agent is being reduced during the process. The coolant flow rate, providing energy savings, at the first stage is 0,65, the second and third are 0,40 and 0,25 m/s. In total, this provides energy savings of 20-25%.

To implement the proposed drying modes it is recommended to use a three-tiered belt or conveyor dryers with found coolant speed through the tiers.

Key words: Jerusalem artichoke, potatoes, cubes, drying, time, calculation, parameters, energy saving.

Введение. Имеется необходимость теоретического анализа процесса сушки нарезанных кубиков клубней топинамбура, чтобы выработать обоснованные практические рекомендации по

оптимизации режимных параметров

работы сушильных установок, в частности конвеерных.

Имеющиеся расчеты времени сушки влажных частиц относятся к несколько иным (более жестким) режимам сушки. Так, в работе [1] тепло- и массообмен

высокотемпературного газа с торфом рассматриваются в периоде постоянной скорости сушки, что не позволяет ее использовать для описания процесса сушки нарезанных клубней топинамбура, в котором продолжительность первого периода намного меньше периода падающей скорости сушки. Модель, рассматриваемая в [2], содержит такие параметры, как коэффициент массообмена и критическая влажность частицы, соответствующие началу периода падающей скорости сушки. Численные значения этих параметров неизвестны и методы их определения не указаны.

Исследования проведены с целью определения длительности процесса и режимной скорости агента сушки.

Методика исследований и расчет времени сушки. В связи с недостаточной информацией о специфике процессов тепло- и массообмена при сушке влажных относительно крупных частиц проведены специальные опыты в условиях, близких к реальному процессу. Сушили два вида образцов нарезанных клубней

топинамбура: плоских размерами 40x3 и в виде кубиков 6x6x6 мм (в слое высотой около 100 мм).

В опытах регистрировали температуру образцов и агента сушки, их влажность в разные периоды времени (весовым методом).

Экспериментальные кривые сушки (зависимости средней влажности частиц от времени) носят монотонный характер как для плоских, так и объемных образцов, т.е. кинетика сушки определяется в основном внешними условиями нагрева.

На кривых сушки имеется линейный участок, свидетельствующий о протекании процесса как в периоде постоянной, так и падающей скорости сушки. Уменьшение скорости сушки с течением времени связано с обезвоживанием поверхностных слоев и углублением фронта испарения. Кинетика влажностного и температурного полей позволяет сделать вывод о том, что с течением времени внутри материала образуются две зоны: «сухая», влагосодержание которой близко к нулю, и «мокрая», влагосодержание которой мало

отличается от начального. Граница раздела зон постепенно перемещается в глубь образцов.

При сушке от исходного £УН ~0,5 до конечного влагосодержания £УК =0,09 кг вл./кг сух. мат. основная доля тепла, передаваемого от теплоносителя к частице, расходуется на теплоту испарения.

Расчет длительности сушки выполнен в два этапа. На первом сформирована приближенная модель тепло- и влагопереноса для отдельной частицы, на основе которой получено уравнение кинетики ее сушки. Проведя параметрическую идентификацию модели и проверив ее применимость, можно сделать предварительные выводы о путях энергосбережения в процессе сушки.

На втором этапе рассмотрена кинетика сушки совокупности частиц с учетом изменяющихся параметров теплоносителя, после чего

сформулированы рекомендации по выбору оптимального режима работы сушильной установки.

На элемент клубня топинамбура действует поток агента сушки, фронт сушки от поверхности распространяется в глубь, образуя сухую зону, через которую фильтруются жидкая, а затем газовая фазы. Процесс сушки рассматривается как внутренняя задача тепломассопереноса.

Поток теплоты в элементе клубня топинамбура можно записать в виде:

Г ЛАТ 2

Я =-, Вт/м2,

<

где Г - коэффициент формы;

Л - коэффициент теплопроводности, Вт/м°С;

АТ

перепад температур,

АТ = t-вср;

I, вср - температура агента сушки и

средняя материала, °С; < - определяющий размер, например, сторона кубика, м.

Величину Я можно также записать в

виде:

САиг 2

Я —-, Вт/м ,

Ет0/

где G - масса элемента, кг;

Аи - влагосъем, кг вл./кг сух. мат.; г - удельная теплота испарения

влаги, кДж/кг; Е - теплообменная поверхность, м2; т0 - длительность сушки, ч; / - теплота на испарение влаги. Приравнивая правые части выражений (1) и (2) и принимая во

Е

внимание, что отношение — - удельная

G

поверхность элемента / (м2/кг), получим А иг б

т0 =-•

0 2 ЛАТ/ У ;

Переходя к реальному слою

высотой И, определим для него время

сушки, т:

- А И

Т — АТг\  0 <

где А - экспериментальный коэффициент (0,80-0,85).

Уравнение (3) расчета времени сушки частиц клубня топинамбура содержит ряд параметров:

т — / (¿Др ,Л, г,ин ,ик, < )•

Удельная теплота фазового превращения воды г является физической константой; начальное и , конечное и влагосодержание и удельная поверхность / определяются свойствами и состоянием материала; температура теплоносителя I, коэффициент теплопроводности Л и размер частиц < являются режимными параметрами процесса сушки.

Коэффициент теплопроводности Л формально можно было бы отнести к группе величин, характеризующих свойства и влажность клубней топинамбура. Это справедливо, если бы перенос тепла в «сухой» зоне осуществлялся чисто кондуктивным путем. На самом деле при интенсивном испарении влаги имеют место диффузионный и фильтрационный переносы пара, а также изменяется структура материала. Величину Л можно считать эффективным

коэффициентом теплопроводности,

учитывающим весь комплекс явлений. Он кроме того является параметром, аппроксимирующим реальный процесс. Таким образом, идентификация расчета сводится к экспериментальному определению значения (или значений) коэффициента Л3.

Направления интенсификации процесса сушки. Как отмечено выше, режимными параметрами, изменением которых можно влиять на ход процесса, являются температура агента сушки, коэффициент теплоотдачи и размер частиц. При прочих равных условиях увеличение температуры приводит к интенсификации процесса сушки, однако эту величину можно изменять лишь в ограниченных пределах. Параметры, которыми сравнительно просто можно управлять, -это коэффициент теплоотдачи и размер частиц. Время сушки сокращается с увеличением коэффициента теплоотдачи. Большинство мероприятий в инженерной практике направлено на интенсификацию процесса именно путем увеличения а - за счет увеличения относительной скорости потока газа, обтекающего частицы, создание тангенциальных потоков, завихрений и т.д., а также путем измельчения частиц материала. Влияние < и а на продолжительность процесса проанализировано расчетом при Л =0,1 Вт/(м-К). Значения остальных параметров принимали близкими к реальным: ус = 400 кг/м3; Жо = 1,0 кгв/кгс; Жк = 0,10 кгв/кгс; Тс = 60 оС. Результаты расчетов свидетельствуют о том, что время сушки существенно зависит от размеров частиц и в меньшей степени от коэффициента теплоотдачи. Так, если уменьшить размер частицы < = 3 мм в два раза при а = 300 Вт/(м -К), то ее высушивание до конечной влажности закончится в два раза быстрее. Увеличение же коэффициента теплоотдачи более чем в два раза сокращает время сушки примерно на 20%.

Результаты и обсуждение. Результаты опытов и соответствующих расчетов показывают, что наилучшее согласование экспериментальных и

расчетных данных по кинетике сушки образцов достигнуто при разбивке кривой сушки на три зоны с критическими значениями влагосодержания U = 1,15 и

U = 0,3 кг вл./кг сух. мат., отличающимися как конфигурацией, так и эффективным значением АЭф , причем Аэ^ =

0,25; АЭфг = 0,17 и Аэфз =0,06 Вт/м°С [3].

Активный гидродинамический режим существенно интенсифицирует процесс сушки и обеспечивает высокое качество продукта с требуемой влажностью.

Скорость агента сушки,

соответствующая активному

гидродинамическому режиму, определятся величиной коэффициента теплоотдачи на каждом этапе сушки, которую можно оценить из равенства [4]:

aTATf] = const,

где а - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2 оС.

Величины т , AT, f, ]] для каждого этапа сушки клубней топинамбура могут быть определены из предыдущих зависимостей расчетным путем или приняты как средние величины.

Значение а для первого этапа (зоны) сушки, при котором удаляется свободная влага, определено из выражения

AUr

а, <-,

где Ui - текущий влагосъем, кг вл./кг сух.мат.

Значение aj для следующих этапов определяется из (5).

Зная величину aj, можно определить скорость агента сушки, например из Nu = 0,075Re, где Nu, Re - числа Нуссельта и Рейнольдса.

Выводы. Длительность сушки частиц топинамбура в монослое высотой h0 (1-2

частицы) размером 6*6*6 мм занимает т0 ~2,3 ч. Длительность сушки слоя высотой

h

h составляет т ^0,8- т0 —.

h0

Кривую сушки можно разбить на три этапа, разграниченные критическими влагосодержаниями U = 1,15 кг/кг и

Uкр = 0,25 кг/кг; значения температуры

агента сушки на всех этапах 60 °С. Оптимальная скорость агента сушки, обеспечивающая энергосбережение на первом этапе, V = 0,65, на втором и третьем - 0,40 и 0,25 м/с. В сумме это составит 20-25% экономии энергии.

Для реализации предложенных режимов сушки рекомендуется

использовать ленточную или конвейерную трехъярусные сушилки с различной скоростью агента сушки по ярусам.

Литература

1. Математическое моделирование переноса тепла и вещества при решении инженерных задач: монография / Р.А. Испарян, А.В. Клинсер и др. - Тверь: Тверской гос. техн. ун-т, 2002. - С. 27-28.

2. Бритиков, Д.А. Математическое моделирование процесса сушки сыпучих материалов без учета внутренних источников теплоты / Д.А. Бритиков // В сб. «Современные энергосберегающие тепловые технологии». - Москва: СЭТТ. -Т. 2. - 2011. - С. 88-91.

3. Исследование способов сушки клубней топинамбура / А.В. Голубкович и др. // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве: труды IX Международной научно-технической конференции (21-22 мая 2014 г., г. Москва, ГНУ ВИЭСХ). - Ч. 2. - С. 107-111.

4. Сажин, Б.С. Основы техники сушки / Б.С. Сажин. - Москва: Химия, 1984. - С. 80-82.

References

1. Isparyan R.A., Klinser A.V. i dr. Matematicheskoe modelirovanie perenosa tepla i veshchestva pri reshenii inzhenernykh zadach [Mathematical modeling of heat and materials transfer solving engineering problems]: мonografiya, Tver', Tverskoi gos.tekhn. un-t, 2002, pp. 27-28.

2. Britikov D.A. Matematicheskoe modelirovanie processa sushki sypuchih materialov bez ucheta vnutrennih istochnikov teploty [Mathematical modeling of bulk materials drying without accounting internal

heat sources], V sbornike «Sovremennye jenergosberegajushhie teplovye tehnologii», Moskva: SJeTT, T. 2, 2011, pp. 88-91.

3. Golubkovich A.V. i dr. Issledovanie sposobov sushki klubnej topinambura [Research of the Jerusalem artichoke tubers drying], Jenergoobespechenie i jenergosbe-rezhenie v sel'skom hozjajstve: trudy IX Mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskoj konferencii (21-22 maja 2014 g., Moskva, GNU VIJeSH), Chast' 2, pp. 107-111.

4. Sazhin B.S. Osnovy tehniki sushki [Outlines of drying techniques], Moskva: Himija, 1984, pp. 80-82.

Сведения об авторах

Голубкович Александр Викторович - доктор техн. наук, главный научный сотрудник, ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства» (г. Москва). Тел.: 8(499)174-88-18.

Чижиков Александр Григорьевич - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» (ВИЭСХ) (г. Москва). E-mail: alex.grig.10@yandex. ru.

Information about authors

Golubkovich Aleksandеr Viktorovich - Doctor of Technical Sciences, Chief research associate, FSBRI «All-Russian Research Institute of Agricultural Mechanization» (Moscow). Phone: 8 (499) 174-88-18.

Chizhikov Alexander Grigorievich - Candidate of Technical Science, Senior research associate, FSBRI «All-Russian Research Institute of Agriculture Electrification» (Moscow). E-mail: alex.grig.10@yandex.ru.