Исследование температурного поля инфракрасных нагревательных систем для сушки пищевых продуктов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.12, кандидат технических наук Адамов, Зайнутдин Тажутдинович

• Адамов, Зайнутдин Тажутдинович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Адамов, Зайнутдин Тажутдинович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 Краткий анализ работ, посвященных инфракрасной сушки.

ГЛАВА 2 Расчет температурного поля инфракрасной нагревательной системы для сушки пищевых продуктов бесконечная постановка задачи).

ГЛАВА 3 Влияние конструктивных параметров объекта сушки, излучателей и отражательного экрана на температурное поле инфракрасной нагревательной системы.

ГЛАВАВ 4 Расчет температурного поля инфракрасной нагревательной системы в зависимости от геометрии компоновки ИКИ трехмерная задача).

ГЛАВА 5 Экспериментальная часть.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование температурного поля инфракрасных нагревательных систем для сушки пищевых продуктов»

В настоящее время одной из основных задач, стоящих перед перерабатывающими отраслями агропромышленного комплекса, является усовершенствование интенсификации технологических процессов сушки различных продуктов, с целью сокращения продолжительности цикла изготовления продукта, улучшения его качества, повышения производительности труда и достижения наиболее рационального использования материала и энергетических ресурсов. Изыскание новых способов сушки и разработки конструкций аппаратов, для тепловой обработки, необходимо вести с учетом возможности интенсификации обработки и на этой основе обеспечить как повышения качества выпускаемой продукции, так и экономию энергетических затрат на изготовление единицы продукции. К примеру, изменение градиента температуры в материале является важной характеристикой процесса сушки капиллярно-пористых материалов.

За последние годы как у нас в России, так и за границей в различных 0 отраслях промышленности большое развитие получила тепловая обработка материалов инфракрасными излучателями (ИКИ). Применение инфракрасного излучения значительно интенсифицируют многие технологические процессы: сушку, выпечку, обжарку, полимеризацию и др., вследствие значительного увеличения плотности теплового потока на поверхности облучаемого материала (объекта нагрева) и проникновения инфракрасных лучей внутрь материала.

Способ обработки инфракрасными лучами применяется для поверхностной сушки лакокрасочных металлических и деревянных покрытий, а также при сушке в тонком слое сыпучих веществ или тонких бумажных, или текстильных и других материалов и пищевых продуктов. Лучистая тепловая энергия применяется также в тех случаях, где требуется удалить только поверхностную влагу или переместить ее внутрь изделия, например при сушке литейных форм.

При тепловой обработке инфракрасными лучами указанных материалов интенсивность испарения влаги по сравнению с конвективной или контактной сушкой увеличивается в десятки раз. Это объясняется тем, что количество тепла, которое можно передать материалу при радиационной обработке, значительно больше чем при конвекции. Однако в настоящее время отсутствует обобщение практических результатов и основных теоретических положений этого способа сушки.

Вопросам исследования сушки материалов с помощью ИКИ посвящено значительное число работ, в которых подробно описываются конструкции и излагаются приближенные методы расчета нагревательных систем РЖИ.

Приближенным методом расчета инфракрасных нагревательных систем является метод расчета теплообмена между серыми телами в диатермичной (прозрачной) среде. Основные расчеты температурного поля в указанных системах выполняются с привлечением громоздких интегро-дифференциальных уравнений, решение которых становится возможным только для некоторых частных случаев и то в результате допущений, приближений, часто снижающих практическую ценность решений. Более того, существенным недостатком приближенных расчетов является отсутствие аналитической связи между функциями температур и эффективных потоков с оптическими свойствами и с параметрами взаимного расположения элементов конструкции системы. Такая связь обычно выявляется при использовании приближенных расчетов симметричных или бесконечно протяженных континуальных систем, где температура, угловые коэффициенты, степени черноты задаются в параметрическом виде. Но, если для континуальных бесконечно протяженных или симметричных схем такой подход являются естественным, то для дискретных он не всегда допускается и во многих случаях приводит к существенным погрешностям.

В связи с этим поиски достаточно простых и надежных методов расчета температурного поля инфракрасных нагревательных систем с дискретно расположенными излучателями, свободных от указанных недостатков, представляется актуальными.

Цель настоящей работы является в разработке эффективной методики расчета температурного поля ИКИ и подбора режима радиационной сушки различных материалов, в частности, пищевых и сельскохозяйственных продуктов, и в экспериментальной проверке теоретических результатов и принятых в работе упрощающих предположений и допущений.

Для этой цели в работе проводится исследование теплового поля инфракрасных нагревательных систем с дискретно расположенными малоинерционными инфракрасными излучателями. Теоретическое исследование сложного теплообмена в системе ИКИ выполнено на основе вычислений локальных значений коэффициентов взаимного излучения с привлечением метода последовательного приближении для искомых функций эффективного излучения, определяющими уравнениями которых является система интегральных уравнений Фредгольма второго рода относительно функций эффективного излучения.

Уравнения получены при следующих предположениях: теплообмен происходит между серыми телами; распределения собственного излучения по направлениям подчиняется закону Ламберта; радиационные свойства поверхностей не зависят от частоты излучения; средняя поверхность расположения ИКИ является полупрозрачным энергетическим экраном с коэффициентом затенения, равным отношению поперечного размера излучателя к шагу расположения излучателей.

Все полученные в работе решения имеют замкнутый алгоритм, на основе которого разработана и отлажена комплексная программа расчета на ЭВМ. f* Охватывают довольно широкий класс двумерных и трехмерных задач расчета теплообмена между произвольно ориентированными друг к другу элементами конструкций теплообменных аппаратов с ИКИ, применяемых в различных отраслях промышленности и в научно-исследовательских лабораториях. Проведено сравнение результата счета с результатом решения аналогичной задачи другими исследователями, где рассматривается теплообмен между двумя параллельными поверхностями в симметричной системе с бесконечной протяженностью в третьем направлении.

Сравнение показало, что искомая функция эффективного потока излучения по всей области ее изменения с точностью третьего порядка совпадает с решением вариационным методом. Составлена программа расчета на ЭВМ системы линейных и нелинейных интегральных уравнений с применением метода итерации.

Результаты работы могут быть использованы в процессах разработки и эксплуатации малоинерционных инфракрасных нагревательных устройств, предназначенных для термической обработки как пищевых, так и других изделий (лакокрасочных покрытий, кожи, ткани, систем отопления и т.д.) и испытаний элементов конструкций при тепловом ударе.

На защиту выносятся'.

-результаты исследования температурного поля инфракрасной нагревательной системы с дискретно расположенными излучателями.

- методика расчета лучистого теплообмена в системе с ИКИ.

- программа численного решения на ЭВМ системы интегральных уравнений Фредгольма второго рода.

- влияние конструктивных параметров объекта сушки, излучателей и отражательного экрана на температурное поле инфракрасной нагревательной системы.

-влияние свободной конвекции на температурное поле системы с ИКИ.

-скорость нагрева и удаления влаги в материале в виде односторонне теплоизолированной пластины с помощью малоинерционных инфракрасных излучателей.

-технология сушки абрикоса с осциллирующим подводом лучистой энергии в области инфракрасного излучения.

-результаты сравнения теоретических и экспериментальных исследований температурного поля нагревательной системы с инфракрасными излучателями.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты пищевых производств», Адамов, Зайнутдин Тажутдинович

Основные результаты, приведенные в диссертации, опубликованы в следующих работах:

1. Адамов З.Т. Упрощенный метод расчета систем с инфракрасными излучателями при нестационарном режиме работы. Сборник научных трудов. ДГТУ., Махачкала 2002 г.

2. Адамов З.Т. " Исследование режима работы инфракрасных нагревателей" «Динамика образовательных процессов и технико-технологический процесс на автомобильном транспорте и дорожном строительстве». Махачкала 2003 г.

3. Адамов Т. А., Мурадов М.С., Адамов З.Т. "Теплообмен в плоскопараллельной системе с дискретно расположенными инфракрасными излучателями (РЖИ). ВУЗ и АПК: Задачи, проблемы и пути решения / Сборник научных трудов межрегиональной юбилейной научно-практической конференции, посвященной 70-летию образования ДГСА/. Махачкала: ДГСА 2002, с. 487.

4. Адамов З.Т. Влияние свободной конвекции на поле излучения системы инфракрасного нагревателя Сборник трудов ТФ, ДГТУ, Махачкала 2002 г.

5. Адамов З.Т. К расчету лучистого теплообмена в системе тепловой обработки материалов с помощью инфракрасных излучателей. Научное обозрение: сборник статей ассоциации молодых ученых Дагестана Вып. 2 Махачкала 2004 г.

6. Адамов 3. Т. Теплообмен в плоской системе серых тел, в промежутке которых расположены инфракрасные излучатели. Научное обозрение: сборник статей ассоциации молодых ученых Дагестана Вып. 2 Махачкала 2004 г.

7. Адамов З.Т. Сборник тезисов, докладов 25-й научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов ДГТУ. Махачкала 2003г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Адамов, Зайнутдин Тажутдинович, 2005 год

1. Александров В. Е., Зворыкин Д. Б. К расчету облученности в системе «цилиндрический излучатель плоскопараллельный отражатель». -Производительная обработка материалов: Тр.; Вып 2/ ВПИ. - Воронеж: ВПИ, 1977, с. 85-90.

2. Баранов В. Н., Большаков Ю. В., Иванов В. И. Техника лучистого нагрева в электронном производстве. /Обзоры по электронной технике. Сер. 3. Микроэлектроника; Вып. 1 (347). М.: ЦНИИ "Электроника", 1976.

3. Баранов В. Н., Иванов В. И. Оценка эффективности использования рефлектора при ИК нагреве Электронная техника. Сер.З Микроэлектроника, 1974, вып. 6 (54), с. 106.1. X1

4. Башмаков В. Г. и др. Распределение плотности потока и температуры при инфракрасном нагреве Электронная обработка материалов, 1975, №2 (62), с.83.

5. Боркман К. и Рейнхольд М. Сушка зеленного солода с применением инфракрасного излучения. Перп. с немецкого № Ц-5936, М. 1973 г.

6. Борхерт Р., Юбиц В. Техника инфракрасного нагрева. Перевод с немецкого под редакцией Левитина И.В., Госэн-издат, М. Л., 1963

7. Бураковский Г., Гизиньский Е., Саля А. Инфракрасные излучатели. Пер. с польского И.Б. Ливитина и В. И. Рычкова. "Энергия" Ленинградское отделение. 1978, с 407

8. Брамсон М. А. Справочные таблицы по инфракрасному излучению нагретых тел.-М.: Наука, 1965.—320 с., ил.37.9 . Влияние высоких температур на авиационные кострукции. Сборник статей. Перевод с английского. М., Оборонгиз, 1967.

9. Гинзбург А.С. Инфракрасная техника в пищевой промышленности. М., "П.ПР.", 1966. 407с.

10. Исаченко В. П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М. : Энергия, 1969,- 228 с.

11. Излучательные свойства металлов ( Справочник. Под общей ред, А.Е. Шейндлина). М., "Энергия", 1974.

12. ИК спектры поглощения полимеров и вспомогательных веществ / Под ред. В. М. Чулановского. М.: Химия, 1969.

13. Инфракрасный излучатель , ООО "Сайнес", Киев. 2003

14. Исследование процесса терморадиационной службы лекарственных сыпучих материалов в выброкипящем слое и растительного лекарственного сырья в плотном слое. Отчет. Ленинградский химико-фармацевтический институт. № 77056625. 1978 г., 65 с.

15. Ильясов С.Г. Исследование процесса излучения в материале и методы определения их оптических характеристик. Автореферат кандидатской диссертации, 1968.

16. Кронрод А.Е. Узлы и веса квадратурных формул. М., " Наука ", 1965.

17. Лебедев П.Д. Сушка инфракрасными лучами. М., ТОСЭНЕРГОИЗДАТ", 1955, 320с.

18. Левитин И. Б. Инфракрасная техника. Л. : энергия, 1973, —158 с.

19. Михлин С.Г., Смолицкий Х.Л. Приближенные методы решения дифференциальных уравнений.

20. Мешков В. В., Епашников М.М. Осветительные установки. М.: Энергия , 1972.

21. Марченко В.М. Задача одномерной стационарной теплопроводности в условиях лучистого теплообмена за счет внутреннего излучения. "Труды ЦАГИ ", вып. 1003, 1963.

22. Мастрюков Б. С. К расчету радиационного теплообмена в замкнутой системе не серых тел. Теплофизика высоких температур. 1973, т.11, с.442.

23. Митор В.В., Конопелько И.Н. Исследование степени черноты твердых тел. "Теплоэнергетика" № 7, 1966.

24. Мастрюков Б.С., Каиров Э. А. К вопросу лучистого теплообмена в системе твердых не серых тел, разделенных лучепрозрачной средой. -Теплофизика высоких температур, 1969, т. 7, № 2, с.299.

25. Нащекин В.В. Лучепроницаемость пищевых продуктов. Труды МТИПП, вып. 12, 1958, 15-18с.

26. Невский А.С., Тимофеев В.Н. Методика расчета излучения в топочной камере. " Известия ВТИ ", № 3 (91), 1934.

27. Улумиев А. А. Определение скорости конденсации при сублимационной сушки пищевых продуктов. ЦИНТИПищепром. Сублимационная сушка пищевых продуктов. 1965, 43с.

28. Петров В. А., Резник В.Ю. Интегральная нормальная излучательная способность кварцевого стекла марки КИ при высоких температурах. Теплофизика высоких температур, 1972, т. 10, №4, с. 778.

29. Петров В. А., Степанов С. В. Радиационные характеристики кварцевых стекол. Теплофизика высоких температур, 1975, т. 13, №2, с. 335.

30. Плаксин Ю. м. Исследование процесса выпечки мучных кондитерских изделий в печах с инфракрасным излучением. Автореферат кандидатской диссертации, 1974.

31. Поварницын М.С., Стацюк В.И. К расчету инфракрасных нагревателей с плоским экраном. ИФЖ, 1961.

32. Программирование в среде Turbo PASCAL 7.0/ A.M. Епашников, В.А Епашников. М.: "ДИАЛОГ МИФИ", 1996.

33. Рубцов Ф. А. Кузнецова А.Л., Бурка А.Л. К исследованиям переноса тепла излучением в сплошных средах. Тепло- и массоперенос. Т. 1, "Энергия", М., 1968.

34. Рычков В. И. Сушка и нагрев инфракрасным излучением. В кн.: Итоги науки и техники. Светотехника и инфракрасная техника. М. : —ВИНИТИ АН СССР, 1973, с. 196 - 247, ил.

35. Рахимов Р.Х., Саидом М.С. Возможности использования солнечных емкостных коллекторов для нагрева воды ИК- сушки и терапии. Гелиотехника, 2004г. №2, с.88-89.

36. Рахимов Р.Х., Ермаков В.П. Автоматическая система управления сушки. /Сборник научных статей. Международная конференция «infa 2000»:- Ташкент 2000г.- 202-203с.

37. Соколов А.В. Оптические свойства металлов. М. Физматгиз, 1961.

38. Слободкин Л. С., Прудников Н. А. Определение разрешающих угловых коэффициентов в объемах конвейерных радиационных сушильных установок с диффузной и зеркальной компонентами отражения. Инженерно - физический журнал, 1975, т. 29, № 2, с 306-312.

39. Суринов Ю.А., Кобышев А.А. Об оценки точности приближенных решений интегральных уравнений теории лучистого теплообмена. Изв. АН СССР, Энергетика и транспорт, № 4 ,1968.

40. Суринов Ю. А. Обобщенный зональный метод исследования и расчеты лучистого теплообмена в поглощающей и рассеивающей среде. Энергетика и транспорт. - М.: 1975, № 4, с. 112.

41. Технология, организация производства и оборудования, 1977, вып. 4 (83) , с. 12-22.

42. Теория теплообмена. Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 83, "Наука", 1971.

43. Тимофеев В.Н. Определение тепловосприятия трубы в топке. " Известия ВТИ ", № 2 (90), 1934.

44. Тимофеев В.Н., Боковинкова А.Х., Шкляр Ф.Р., и др. Исследование лучисто конвективного теплообмена в щелевом канале. Тепло- и массоперенос. Т.1, "Энергия ", М., 1968.

45. Ходжаев Ю.Д. Методика расчета плоского инфракрасного нагревателя. Труды ЦАГИ, вып. 975, 1965.

46. Ходсон Г. Инфракрасные системы. 1972, 534с.

47. Хэкфорд Г. JI. Инфракрасное излучение. М.—JL: Энергия, 1964. 336с., ил.

48. Юбиц В. Возможности применения инфракрасного нагрева в пщевой промышленности.(пер. с немецкого ) М.1978.

49. Якоб М., вопросы теплопередачи. М.: Изд-во иностр. лит., 1960 -517 с.ил.

50. Chamarro J., Lafuente В., Pinaga F. "Rev. agroquim у techol. Alim", 1971, v.l 1, №3, p. 402-408.

51. Chamarro J., Lafuente В., Longas J. F. "Liofilizacion de championes. Rev. agroquim у techol. Alim", 1972, v.12, №3, p. 450-455.

52. Gunn R.D. The uniformity retreating ice front model "Refring and Air Condifing, 1970, 78, №866, p.35-36, 90.

53. Kane de Wunter F. " Food Technology" 1968, V 22, 1269.

54. K. Borcman und M. Reinhold Das Darren von Grunmalz und Anvendung von Intrarotstrahlung, J."Lebensmittelindustrie", 1968 Bdl5, № 5 s.179-182.

55. Keppeler R.A., Cowerd D.G. Thermal Properties of Freeze dried Mushrooms J. Food Sciense 1972, 37, №2, p. 205-20861 .K. Koskoba Bozlor vysledku pokusneno suseni zemedelskych. "ZEMEDELSKA TECHNIKA", 1967, t. 3. №7, 399-411.

56. Massery W. M. Ph. D. thesis Heorgian Inst, of Technology 1966 and Massary W.M Sanderland I.E. Food Technology.

57. Massey W.M. Jr. Sonderland I.E. Food Technology 21, 408, 1967 Int. J. Het Mass Transfer 1972, 15, 3.

58. Mathcad 8 Pro/ В.Ф. Очков. Москва 1999. 522 с.

59. Turbo Pascal 7.0 Начальный курс. Учебное пособие/ Фараонов В. В.- М.: "Нолидж", 1997.-616 е.,ил.

60. М. Nekati Ozisik. Radiative transfer and interactions with conduction and convection and convection. Jolin Weley & Sous, New York, London, Toronto, 1973, 616 c.

61. Schwartz T. Elektrotermia. Warszawa: PWT, 1950, Т. 1 280 s., il.

62. Sparrow E. M., Albers L. U., Apparent Emissivity and Heat Transfer in a Long Cylindrical Hole, J. Heat Transfer, 82C, 1960, 253-255.