«Обоснование конструктивных параметров и режимов работы сушилки аэродинамического нагрева» тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат наук Исаев Самир Хафизович

• Исаев Самир Хафизович
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Исаев Самир Хафизович

Введение

Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования

1.1 Технологические свойства яблок как объекта исследования

1.2 Анализ технологий и технических средств для сушки яблок

1.3 Перспективы использования установок типа ПАП для производства сухофруктов

1.4 Цель и задачи исследования

Глава 2. Теоретическое обоснование конструктивных параметров и

режимов работы сушилки аэродинамического нагрева с комбинированным теплообменником

2.1 Обоснование конструктивно -технологической схемы сушилки аэродинамического нагрева с комбинированным теплообменником

2.2 Обоснование площади теплообменной поверхности

2.3 Обоснование сечения и количества каналов средней камеры комбинированного теплообменника

2.4 Математические модели рабочего процесса сушилки аэродинамического нагрева с комбинированным теплообменником

2.5 Материальный и тепловой баланс сушилки

2.6 Определение продолжительности процесса сушки

Выводы по главе

Глава 3. Программа и методика экспериментальных исследований

3.1 Программа экспериментальных исследований

3.2 Описание объекта и измерительного оборудования экспериментальных исследований

3.3 Методика определения метеорологических условий

экспериментальных исследований

3.4 Методика определения физических свойств яблок

3.5 Методика планирования трехфакторного эксперимента

Выводы по главе

Глава 4. Результаты экспериментальных исследований

4.1 Результаты определения физических свойств яблок

4.2 Характеристика климатических условий экспериментальных исследований

4.3 Результаты исследования процесса сушки яблок в режиме обратного вращения ротора-нагревателя

4.4 Результаты исследования процесса сушки яблок в режиме прямоговращения ротора-нагревателя

4.5 Результаты расчета продолжительности процесса сушки

4.6 Моделирование температуры подогретого сушильного агента

при постоянном значении температуры в сушильной камере

4.7 Моделирование температуры подогретого сушильного агента при переменном значении температуры в сушильной камере

4.8 Результаты реализации плана многофакторного эксперимента

Выводы по главе

Глава 5. Результаты производственных испытаний и экономическая

эффективность применения сушилки аэродинамического

нагрева с комбинированным теплообменником

Выводы по главе

Заключение

Список использованной литературы

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему ««Обоснование конструктивных параметров и режимов работы сушилки аэродинамического нагрева»»

Введение

Актуальность темы исследования. Сельскохозяйственные предприятия, решающие актуальную проблему импортозамещения в области производства плодово-ягодной продукции должны иметь возможность ее гарантированного сбыта или организации переработки плодово-ягодного сырья на местах [49, 50, 90, 91, 92, 93].

Одной из простых технологий переработки яблок является производство сухофруктов, которые богаты различными витаминами и минеральными элементами [112].

Преимуществом сушки перед другими технологиями является уменьшение в несколько раз массы и объёма, что экономит площади для хранения, повышение энергетической ценности продукта. Сухофрукты хорошо хранятся в обычных складских помещениях, не требуют герметичной упаковки. [41, 43].

В России распространены сушёные яблоки и груши, а также курага, чернослив, изюм и др. Набирают популярность сушёные бананы, дыни и другие, более экзотические фрукты.

Сушёные фрукты хорошо заменяют чипсы, сухарики, рекомендованы к употреблению людям с заболеваниями пищеварительной системы. Правильно высушенные продукты легко регидрировать, и они восстанавливают свои размеры и форму.

Простота технологии способствует ее реализации на местах в условиях сельхозпредприятий, однако, она очень энергозатратна. Потребление энергии в мире каждые 20 лет удваивается, стоимость производства энергии постоянно растет. Поэтому актуальна задача создания и широкого внедрения современных энергосберегающих технологий, сокращающих расход энергии и других ресурсов. В целом по стране на сушку расходуется около 12 % используемого топлива [9, 125, 126, 127, 128].

Традиционные сушилки, потребляющие жидкое или газообразное топливо, энергоемки и сложны по конструкции. Поэтому необходимо повышать

эффективность работы используемых сушильных установок и создавать новые. Одним из перспективных направлений в снижения энергозатрат на процессы сушки сельскохозяйственной продукции является использование установок (печей) аэродинамического подогрева (ПАП) [40, 51, 87, 88, 105, 106, 107].

В основе аэродинамического нагрева - трансформация в теплоту аэродинамических потерь, возникающих при работе ротора центробежного вентилятора в замкнутом циркуляционном контуре, т.е. в сушильной камере. Ротор при этом работает как нагнетатель воздуха и генератор теплоты. Такой способ сушки обеспечивает высокую равномерность нагрева по всему объёму высушиваемого материала, тепловую экономичность при простоте конструкции и безопасности в пожарном отношении.

Рост стоимости традиционных энергоресурсов побуждает интерес к альтернативным источникам энергии для снижения энергоемкости и повышения эффективности работы технических средств в сельскохозяйственном производстве, в том числе для сушки фруктов и овощей [10, 53, 54, 55, 56, 77, 81, 100, 101, 111, 120, 121, 122, 123, 124, 129, 131, 135, 136].

В основе таких технических средств, например, для сушки зерна, систем естественной вентиляции животноводческих помещений - воздушный гелиоколлектор [57, 58, 64, 82, 89, 109, 139, 140].

Для снижения энергоемкости и продолжительности процесса сушки плодово-ягодного сырья в сушилках типа ПАП предложена рекуперация теплоты отработанного сушильного агента за счет оснащения сушилки комбинированным теплообменником, обеспечивающим использование теплоты отработанного сушильного агента и солнечной энергии. Это обеспечивается комбинированием в одном теплообменном аппарате пластинчатого теплообменника и воздушного солнечного коллектора [42, 51, 52, 59, 60, 61, 62, 63, 86].

Таким образом, обоснование конструктивных параметров и режимов работы сушилки аэродинамического подогрева, оснащенной комбинированным теплообменником, наиболее приспособленной к условиям сельскохозяйственных предприятий, является задачей важной и актуальной.

Степень разработанности темы.

Нагревательные установки типа ПАП используются в процессах термообработки легких и цветных металлов и сплавов, тепловой обработки полимерных материалов, для сушки лакокрасочных покрытий, пиломатериалов и др. Применяются печи типа ПАП также для сушки сельскохозяйственной продукции [1, 34, 35, 106].

Исследованиями процессов сушки растительного сырья занимались отечественные и зарубежные авторы П.В. Акулич, В.И. Атаназевич, А.С. Гинзбург, А.А. Королев, П.Д. Лебедев, Е.В. Литвинов, А.В. Лыков, Н.И. Малин, И.Х. Масалимов, С.П. Рудобашта, Р.Б. Кей, О. Кришер, Б.С. Сажин, А.С. Холманский, Э.Р. Эккерт, N. Hamdami, M.K. Krokida, E. Meisamiasl, N.R. ^акиЬа и другие [2, 6, 18, 22, 23, 24, 25, 26, 31, 38, 48, 66, 68, 69, 70, 71, 98, 99, 113, 119, 130, 132, 133, 134].

Значительный вклад в области применения энергосберегающего оборудования и технологий внесли И.М. Антошин, А.В. Голубкович, Д.Е. Каширин, В.И. Курдюмов, А.А. Павлушин, А.Н. Остриков, И.А. Рогов и другие [4, 27, 28, 32, 33, 45, 46, 65, 72, 83, 84, 85, 95, 102, 103, 104, 137, 138, 141, 142, 143].

Однако вопросы сушки плодово-ягодного сырья в установках типа ПАП с рекуперацией теплоты отработанного сушильного агента практически не изучены.

Работа выполнена в соответствии с тематическим планом НИР Брянского государственного аграрного университета (БГАУ).

Цель исследования. Снижение энергоемкости и продолжительности процесса сушки яблок в сушилке аэродинамического нагрева путем обоснования конструктивных параметров и режимов работы её комбинированного теплообменника.

Объект исследования. Рабочий процесс сушилки аэродинамического нагрева, оснащенной комбинированным теплообменником, при сушке яблок.

Предмет исследования. Закономерности изменения параметров работы сушилки аэродинамического нагрева, оснащенной комбинированным теплообменником.

Задачи исследования.

1. Установить основные тенденции развития технологий и технических средств сушки яблок в снижении энергоемкости и продолжительности процесса их сушки.

2. Обосновать конструкцию комбинированного теплообменника сушилки аэродинамического нагрева, обеспечивающего использование теплоты отработанного сушильного агента и солнечной энергии.

3. Разработать математические модели, характеризующие рабочий процесс сушилки аэродинамического нагрева с комбинированным теплообменником.

4. Изучить влияние режимов работы сушилки аэродинамического нагрева с комбинированным теплообменником на энергоемкость и продолжительность процесса сушки яблок.

5. Обосновать путем экспериментальных исследований параметры и режимы работы сушилки аэродинамического нагрева с комбинированным теплообменником, оценить эффективность её применения.

Научная новизна. Совокупность теоретических и практических положений, обосновывающих комбинирование в одном теплообменном аппарате пластинчатого теплообменника и воздушного солнечного коллектора.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработан комбинированный теплообменник сушилки аэродинамического нагрева, обеспечивающий снижение энергоемкости и продолжительности процесса сушки яблок. Новизна разработки подтверждена патентом на полезную модель РФ № 192350 «Сушилка». Разработаны математические модели, характеризующие конструктивные параметры и режимы работы комбинированного теплообменника сушилки аэродинамического нагрева, которые подтверждены экспериментальными исследованиями и производственными испытаниями.

Результаты диссертационных исследований имеют большую практическую значимость для сельскохозяйственного производства, учебных заведений, проектных и научных организаций.

Методология и методы исследования. Для создания математических моделей рабочего процесса сушилки аэродинамического нагрева с комбинированным теплообменником применялись общепринятые законы теплотехники, гидравлики, математики и физики. Целью математического моделирования было получение математических зависимостей для установления основных конструктивных параметров и режимов работы сушилки аэродинамического нагрева с комбинированным теплообменником. Экспериментальные исследования проводили по общепринятым и частным методикам, с использованием современных приборов. Для анализа результатов исследований применяли вероятностно -статистические методы и программное обеспечение MS Excel, Statistica 13.

Положения, выносимые на защиту:

1. Конструктивно-технологическая схема сушилки аэродинамического нагрева с комбинированным теплообменником.

2. Математические модели рабочего процесса сушилки аэродинамического нагрева с комбинированным теплообменником.

3. Результаты экспериментальных исследований по обоснованию конструктивных параметров и режимов работы сушилки аэродинамического нагрева с комбинированным теплообменником.

4. Результаты производственных испытаний сушилки аэродинамического нагрева с комбинированным теплообменником.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов подтверждается удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных исследований, сравнительными испытаниями сушилки аэродинамического нагрева с комбинированным теплообменником, применением современных методик и средств обработки результатов экспериментов.

Результаты диссертационной работы внедрены в ООО «Кромские сады+» Кромского района Орловской области и ООО «ОКБ по теплогенераторам» г. Брянск.

Основные результаты исследований были доложены, обсуждены и одобрены на национальных и международных научно - практических конференциях, в т.ч. в режиме он-лайн: «Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения» ФГБОУ ВО Брянский ГАУ в 2020 г., «Инновации и технологический прорыв в АПК» ФГБОУ ВО Брянский ГАУ в 2020 г., «Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения» ФГБОУ ВО Брянский ГАУ в 2021 г., «Состояние, проблемы и перспективы развития современной науки» ФГБОУ ВО Брянский ГАУ в 2021 г., «Техника и технологии в сельскохозяйственном производстве» ФГБОУ ВО Приморская ГСХА в 2021 г.

Работа награждена дипломом и золотой медалью Российской агропромышленной выставки «Золотая осень», г. Москва в 2020 г.

Личный вклад соискателя.

Личный вклад соискателя заключается в выборе методов и разработке методики исследований, разработке и реализации на компьютере математических моделей, изготовлении комбинированного теплообменника, проведении экспериментов, обработке экспериментальных данных.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, из которых 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получен патент на полезную модель РФ № 192350.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация изложена на 141 странице, состоит из введения, основной части, содержащей 68 рисунков, 9 таблиц, заключения, списка литературы (включает 144 наименования, в том числе 24 - на иностранном языке) и 5 приложений.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Технологические свойства яблок как объекта исследования

Разные сорта яблок имеют свои характерные особенности и различный химический состав. Это зависит от происхождения, условий произрастания, степени зрелости плодов, что определяет их пищевые достоинства, вкус и использование. В 100 граммах съедобной части свежих яблок содержится 11% углеводов, 0,4% - белков, до 86% - воды, 0,6% - клетчатки и 0,7% органических кислот, среди которых яблочная и лимонная [106].

Яблоки содержат жирные летучие кислоты, имеют дубильные вещества и фитоциды, являющиеся бактерицидными веществами, а также высокое содержание пектина и крахмала.

Яблоки содержат значительно больше фруктозы, чем глюкозы, поэтому показаны при заболевании печени, сахарным диабетом и ряде других заболеваний.

Свежие яблоки по качеству делят на два сорта: первый и второй. Качество свежих яблок должно соответствовать характеристикам и нормам ГОСТ 275722017 «Яблоки свежие для промышленной переработки. Технические условия».

С разрешения потребителя яблоки, за исключением производства для детского питания, можно не рассортировывать по сортам.

Содержание в свежих яблоках вредных веществ и патогенных микроорганизмов не должно превышать установленных нормативными правовыми актами норм соответствующего государства, его принявших.

Готовый продукт в виде «Яблоки неочищенные с семенной камерой необработанные» должен соответствовать требования ГОСТ 32896-2014 «Фрукты сушеные. Общие технические условия» [30]. В этом стандарте описываются органолептические требования к сушеным фруктам. Основное требование это отсутствие слипания, комкования, постороннего вкуса и цвета у продукта.

Кроме органолептических требований предъявляются также требования к физико-химическим показателям сушеных яблок. Это массовая доля влаги не более 20 % для яблок и отсутствие посторонних примесей.

Пищевая ценность 100 г сушеных яблок приведена в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Пищевая ценность 100 г сушеных яблок

Наименование продукта Белок, г Углеводы, г Витамины, мг Калорийность, ккал/кДж

Каротин В1 РР С

Яблоки сушеные 2,2 48,0 - - 0,9 2,0 199/832

Срок годности, в течение которого яблоки сохраняют свое качество при относительной влажности воздуха не более 75%, составляет 12 месяцев.

Сушка с физических позиций является сложным процессом, течение которого определяется скоростью перемещения влаги из глубины высушиваемого продукта на поверхность продукта и только потом в окружающую среду [ 1, 5, 94].

Процесс сушки яблок может быть естественным (на солнце или в тени под навесами), а также принудительным (в печи, в духовке, в сушилках). В любом из вариантов требуется хорошая вентиляция - это позволяет удалять насыщенный испаряющейся влагой воздух.

Одним из популярных новых видов сухофруктов становятся фруктовые чипсы - тонкие ломтики фруктов, иногда покрытые сахарным сиропом и готовые к употреблению [90].

Чипсы делают из яблок, груш, бананов и другого растительного сырья без применения консервантов и жиров (рисунок 1.1).

В настоящее время при производстве сухофруктов используют конвективные и комбинированные способы сушки, когда высушиваемые материалы непосредственно контактируют с сушильным агентом.

При сушке яблок температура теплоносителя должна быть не более 60 °С, так как при температуре более 75 °С происходит разрушение биологически активных веществ. Удельная теплоемкость яблок составляет 3,77 кДж/(кг-К), плотность яблок - от 600 до 900 кг/м3.

Рисунок 1.1 - Вид яблочных чипсов

При исследовании Зориным А.С. процесса сушки яблок сорта «Синап Орловский» с толщиной нарезки 6 мм при осциллирующем режиме 75...20...50 °С установлено, что конец первого периода сушки наступает при влагосодержании 65% спустя 80 мин после начала процесса.

По данным [116] кривая сушки яблок, без учета начального периода прогрева материала, имеет два периода: период постоянной скорости сушки и период падающей скорости сушки.

Исследуемые образцы яблок с толщиной резки 2 и 3 мм сушили на поддонах в нагретом до 80 °С конвективном сушильном шкафу ШС-80. Так как конечный продукт исследуемых образцов должен был иметь вид яблочных чипсов, продолжительность процесса сушки яблок составила 2 часа 30 минут.

С увеличением температуры падало время сушки, но и уменьшались вкусовые качества мякоти. Поэтому рекомендуется проводить сушку при 40.60 °С, но процесс будет длиться 6.10 часов. При увеличении толщины слоя нарезанных яблок, что имеется в производственных сушилках, время процесса будет еще больше.

При производстве сухофруктов яблоки диаметром более 50 мм режутся на кружочки и частицы. Переработка яблок диаметром менее 30 мм не целесообразна из-за увеличения количества отходов.

1.2 Анализ технологий и технических средств для сушки яблок

Для производства сухофруктов можно использовать два способа сушки -естественную, т.е. на открытом воздухе и искусственную - с применением сушилок. Естественная сушка не требует затрат топлива, но зависит от погодных условий, так как продукт можно высушить только до влажности, соответствующей параметрам окружающего воздуха, а, как правило, этого недостаточно. Поэтому на производстве применяют различные сушильные установки [8, 11, 19, 21, 66, 73, 75, 76, 79, 80]. Классификация сушильных установок представлена в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Классификация сушильных установок на основе [74]

Признак классификации Типы сушилок

Способ подвода теплоты к материалу Конвективные, контактные (сушка на горячих поверхностях), радиационные (сушка инфракрасными лучами), электрические (сушка в электрическом поле)

Давление в рабочем пространстве Атмосферные, вакуумные

Способ действия Периодического или непрерывного действия

Сушильный агент Воздух, топочные газы, смесь воздуха с топочными газами, перегретый пар, инертные газы

Направление движения сушильного агента относительно материала С прямотоком, с противотоком, с перекрестным током, реверсивные

Характер циркуляции сушильного агента С естественной циркуляцией, с принудительной

Способ нагрева сушильного агента С паровым воздухоподогревателем, с огневым воздухоподогревателем, путем смешения с топочными газами, с электронагревом, с аэродинамическим нагревом, солнечной радиацией

Схема нагрева сушильного агента С централизованным подогревом, с подогревом индивидуальными агрегатами, с промежуточным подогревом

Кратность использования сушильного агента Однократные, с рециркуляцией

Способ удаления влаги из сушилки С воздухообменом, конденсационные, с химическим поглощением влаги

Конструкция сушилки Коридорная, камерная, шахтная, ленточная, конвейерная, барабанная, трубчатая и т. п.

По способу подвода теплоты к сырью сушилки бывают: конвективные, кондуктивные (или контактным), инфракрасные, использующие токи высокой и сверхвысокой частоты.

При конвективном способе сушки агент сушки (нагретый воздух, перегретый пар) является теплоносителем и влагопоглотителем. Это позволяет регулировать температуру продукта. Такие сушилки просты по конструкции и надежны в эксплуатации. Недостатки способа: градиент температуры направлен в сторону, противоположную градиенту влагосодержания, что тормозит удаление влаги из продукта; относительно низкий коэффициент теплоотдачи от сушильного агента к поверхности продукта вследствие того, что последний сушится в неподвижном слое, омываясь агентом сушки и отдавая ему влагу [1, 5].

Сушка во взвешенном состоянии как более интенсивный конвективный способ осуществляется в аппаратах кипящего слоя, который образуется в камере постоянного сечения. Скорость агента сушки вверху камеры выше, чем внизу, и в связи с этим частицы продукта начинают движение в верхней части слоя [97].

При этом каждая частица омывается потоком агента равномерно со всех сторон. Это обеспечивает равномерное нагревание продукта и срыв пограничного слоя испаряющейся влаги, что, в свою очередь, позволяет применять повышенные температуры агента сушки в зависимости от вида продукции. Однако сообщение кинетической энергии частицам требует повышенного расхода энергии привода.

Кондуктивный способ сушки основан на передаче теплоты материалу при соприкосновении с горячей поверхностью. Воздух служит только для удаления водяного пара из сушилки и является влагопоглотителем. Коэффициент теплоотдачи кондуктивного способа значительно выше, чем конвективного, и составляет 170... 180 Вт/ (м К). Применение этого способа для получения сухофруктов ограничено, т.к. возможно пригорание и ухудшение внешнего вида продукта [36, 47].

При использовании инфракрасных лучей (ИКЛ) скорость сушки увеличивается по сравнению с конвективной. Так, для плодов и овощей скорость сушки ИКЛ на 25...95 % больше по сравнению с интенсифицированными

способами конвективной сушки. Однако для сохранения качества сухофруктов не рекомендуется применять мощные потоки термоизлучения [15, 16, 17, 67].

Сушка токами высокой (ВЧ) и сверхвысокой (СВЧ) частоты основана на том, что диэлектрические свойства воды и сухих веществ продуктов резко различаются (у воды диэлектрическая проницаемость составляет 81 Ф/м, у сухих веществ - 2,7...4,5 Ф/м), поэтому влажный материал значительно быстрее нагревается, чем сухой. При использовании токов ВЧ и СВЧ температура внутренних слоев продукта выше, чем наружных, более обезвоженных. Тепловой поток направлен к периферии продукта, влагоперенос имеет то же направление, что ускоряет сушку. Возникающий градиент температуры и градиент влагосодержания помогает перемещению влаги изнутри к поверхности, в результате процесс сушки проходит интенсивнее. Однако оборудование сложное и энергоемкое [12, 13, 78, 96, 120].

При сублимационной сушке в замороженном состоянии в условиях глубокого вакуума без контакта продукта с кислородом твердое вещество (лед) переходит в парообразное состояние, минуя жидкое [115].

Основное количество влаги (75...90 %) удаляется при сублимации льда (температура ниже 0 °С), а оставшаяся влага при нагреве продукта от 40 до 60 °С. Такой продукт отличается высоким качеством, сохраняет питательные вещества, обладает повышенной восстанавливающей способностью, сохраняет цвет и аромат свежего продукта. Недостатком способа является применение специальных веществ, таких как глицерин, этиленгликоль и др.

При конвективной сушке с предварительным замораживанием овощи и фрукты, подготовленные по обычно принятым схемам, замораживают, а потом высушивают на паровых конвейерных сушилках при температуре агента сушки над продуктом 55...70 °С, скорости движения лент - 0,5... 1 м/мин и удельной нагрузке 12... 16 кг/м2. Процесс замораживания дает высокопористые, быстро восстанавливающиеся сушеные продукты. Процесс сушки сокращается на 25...30 %, но требуются дополнительные энергозатраты на получение холода и время на замораживание [12].

Кристаллы льда при замораживании сырья нарушают структуру ткани, что уменьшает водоудерживающую способность, ускоряет процесс удаления влаги при сушке, а при кулинарной обработке способствует их быстрому восстановлению.

Существует много различных типов установок для искусственной сушки сельскохозяйственного сырья.

Простейшими сушилками для фруктов являются солнечные сушилки (рисунок 1.2) и сушильные шкафы (рисунок 1.3).

Рисунок 1.2 - Примеры солнечных сушилок фруктов

Рисунок 1.3 - Сушка фруктов в духовом шкафу

В промышленности для сушки плодов применяют преимущественно паровые конвейерные сушилки типа СПК-4Г-45 (рисунок 1.4), имеющей следующие характеристики: производительность по испаренной влаге - 0,0625 кг/с; рабочая площадь конвейерных лент - 45 м2; число лент - 5; ширина лент - 2 м; площадь поверхности нагрева - 700 м ; мощность электродвигателей - 8,0 кВт; расход пара - 0,14 кг/с.

1 -каркас; 2 - калорифер; 3 -сетчатая лента, 4 -ленточный конвейер, 5 -шиберы; 6, 11-коллектор; 7 -окно; 8 -угловой термометр; 9 -вентиляционная система; 10 -шиберы; 12 -приводная колонка

Рисунок 1.4 - Паровая конвейерная сушилка СПК-4Г-45

Калориферы, предназначенные для нагрева воздуха, расположены между верхней и нижней лентами каждого конвейера и представляют собой оребренные трубки, вваренные в паровой и конденсатный коллекторы и собранные в секции.

В трубки подается пар давлением до 0,8 МПа. Поверхность нагрева каждого

22 калорифера 140 м , общая поверхность калориферов сушилки 700 м .

Система вентиляции помимо вытяжных зонтов включает вытяжные камеры

и осевые вентиляторы. Количество удаляемого воздуха регулируется с помощью

клапана, установленного в головке вытяжной камеры.

Нарезанные яблоки загрузочным транспортером сушилки подаются на верхнюю ленту сушилки, где перемещаются над калориферами верхнего яруса, теряя более трети влаги.

Далее яблоки поступают на вторую ленту, которая несколько медленнее перемещается над калориферами второго яруса. Здесь удаляется примерно еще одна треть влаги.

Затем яблоки поступают на третью ленту, которая еще медленнее движущуюся над калориферами третьего яруса, где удаляется еще около 4 % влаги.

Четвертая и пятая ленты имеют наименьшие скорости, и за время нахождения на них продукт окончательно высыхает до стандартной влажности.

При пересыпании яблок на лентах образуется мелкая крошка, которая проходит сквозь ячейки лент и собирается в нижней части сушилки на поддонах. Сушильный воздух проходит через сушилку снизу вверх, подогревается в калориферах и охлаждается, проходя через конвейерные ленты с продуктом. Удаляемая влага вытяжными вентиляторами выводится в атмосферу.

Существенный недостаток паровых конвейерных сушилок - использование режима с повышающейся сушильной способностью воздуха. Вследствие взаимонаправленных потоков продукта и сушильного воздуха более сухие яблоки, находящиеся на лентах нижних транспортеров, высушиваются более сухим воздухом, чем сырые яблоки на лентах верхних конвейеров.

Интенсификация сушки при одновременном улучшении качества готового продукта достигается при использовании сушилок с виброкипящим слоем типа А1-КВО с характеристикой: рабочая площадь сушильной поверхности - 8 м ; расход воздуха - 8,3 м /с; мощность электродвигателей - 25,0 кВт. Однако они не нашли широкого применения.

С появлением более современных технологий, позволяющих снизить потребление энергоносителей от паровых сушилок стали отказываться в пользу инфракрасных (рисунок 1.5).

Ito» —

1 ^^ИИв^®^ ^^

— Г * j] Тшт 5ж

I^Hp ч v ••

■— \ 1 fJl-O -ШГт

Рисунок 1.5 - Инфракрасная конвейерная сушилка

Инфракрасные излучатели представляют собой электрические нагревательные элементы, распределенные по всей площади конвейерной ленты.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Исаев Самир Хафизович, 2022 год

обзор литературных источников

технологии и технические средства сушки яблок

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

- обоснование констру ктивно -технологической схемы сушилки

аэродинамического нагрева с комбинированным

тепло обменником

- обоснование параметров комбинированного теплообменника

- разработка математических моделей рабочего процесса сушилки аэродинамического нагрева с комбинированным теплообменником

- материальный и тепловой баланс сушильной камеры

программа компьютерного моделирования рабочего процесса сушилки

аэродинамического нагрева с комбинированным

теплообменником

1

применение установок аэродинамического нагрева в процессах сушки материалов

выводы по литературному обзору и постановка задач исследований

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

- определение физических свойств яблок

- определение метеорологических условий экспериментальных исследований

- исследование процесса сушки в режиме прямого и обратного вращения ротора-нагревателя

- реализация многофакторного эксперимента

установление функциональных зависимостей

подготовка исходной информации

СТАТИСТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

- сбор и систематизация статистических данных

- обработка экспериментальных данных

оценка достоверности экспериментальных исследований

составление листинга расчетов на ПК

компьютерное моделирование рабочего процесса сушилки аэродинамического нагрева с комбинированным

теплообменником

сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований

обоснование конструктивных параметров и режимов работы сушилки аэродинамического нагрева с _комбинированным теплообменником_

экономическая эффективность использования сушилки аэродинамического нагрева с комбинированным

теплообменником

общие выводы и рекомендации производству

Рисунок 1.15 - Общая схема исследований

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ СУШИЛКИ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО НАГРЕВА С КОМБИНИРОВАННЫМ ТЕПЛООБМЕННИКОМ

2.1 Обоснование конструктивно -технологической схемы сушилки

аэродинамического нагрева с комбинированным теплообменником

По способу передачи теплоты к среде теплообменники делятся рекуперативные; регенеративные; смесительные; с электрическим подогревом [7].

Смесительные теплообменники для сушилки функционально не пригодны. Электрический подогрев в данном случае реализуется через преобразуемую в теплоту потребляемую мощность электродвигателя привода ротора-нагревателя и введение дополнительного устройства в теплообменник усложнит его конструкцию и увеличит стоимость.

Регенеративные теплообменники сложны по конструкции, имеют увеличенное гидравлическое сопротивление, требуют дополнительного приводного механизма.

Поэтому в наибольшей степени поставленной задаче соответствует рекуперативный пластинчатый теплообменник.

Сушилка ПАПРКТО имеет плоскую горизонтальную крышу сушильной камеры размером 2,31х1,53 м, т.е площадью 3,53 м2. Поэтому крыша является наиболее рациональным местом расположения комбинированного теплообменника, не увеличивающим его горизонтальные габаритные размеры.

Высота сушилки составляет 1,93 м, поэтому в вертикальной плоскости также есть достаточное габаритное пространство для размещения комбинированного теплообменника.

Так как в состав комбинированного теплообменника входит солнечный коллектор, то верхняя часть комбинированного теплообменника должна представлять собой горизонтальный воздушный коллектор,

тепловоспринимающая поверхность которого будет одновременно являться одной из двух теплообменных поверхностей пластинчатого теплообменника.

Вторая теплообменная поверхность пластинчатого теплообменника должна омываться отработанным сушильным агентом. Пространство между двумя теплообменными поверхностями с помощью перегородок должно быть разделено на каналы, по которым будет перемещаться подогреваемый атмосферный воздух.

Таким образом, комбинированный теплообменник должен представлять собой трехкамерное устройство, верхняя камера которого является воздушным солнечным коллектором, средняя предназначена для движения подогреваемого атмосферного воздуха (сушильного агента), а нижняя камера омывается горячим отработанным сушильным агентом.

Конструкция сушилки аэродинамического нагрева с комбинированным теплообменником и принцип ее работы следующие (рисунок 2.1).

Сушилка состоит из сушильной камеры 1 с дверью 2 и патрубками для подсоса 3 и выброса 4 сушильного агента, нагревательного ротора 5 центробежного вентилятора с приводным электродвигателем 6, трехкамерного пластинчатого теплообменного аппарата 7 с двумя теплообменными поверхностями 8, делящими его на три камеры, одна из которых представляет собой воздушный солнечный коллектор 9 со светопрозрачным покрытием 10 и патрубками для входа 11 и выхода 12 отработанного сушильного агента, средняя камера имеет входной 13 и выходной 14 патрубки и перегородки 15, образующие каналы 16 для прохода подогреваемого атмосферного воздуха, поступающего затем в сушильную камеру 1, а третья камера также имеет патрубки для входа 17 и выхода 18 отработанного сушильного агента, при этом выходной патрубок 4 сушильной камеры 1 имеет заслонку 19, регулирующую подачу отработанного сушильного агента либо в пластинчатый теплообменный аппарат 7, либо в атмосферу [80].

Ограждающей стенкой нижней камеры комбинированного теплообменника является поверхность самой крыши сушильной камеры. В связи с этим нет

необходимости в теплоизоляции верхней части сушильной камеры, т.к. с обеих сторон поверхности крыши будет циркулировать горячий сушильный агент.

1 - сушильная камера; 2 - дверь; 3 - патрубки для подсоса сушильного агента; 4 -патрубок для выброса сушильного агента (жалюзи в форме ромашки); 5 -нагревательный ротор центробежного вентилятора; 6 - приводной электродвигатель; 7 -комбинированный теплообменник; 8 - теплообменные поверхности; 9 - воздушный солнечный коллектор; 10 - светопрозрачное покрытие; 11 - патрубок для входа отработанного сушильного агента в верхнюю камеру; 12 - патрубок для выхода отработанного сушильного агента из верхней камеры; 13 - входной патрубок средней камеры; 14 - выходной патрубок средней камеры; 15 - перегородки; 16 - каналы для прохода подогреваемого атмосферного воздуха; 17 - патрубок для входа отработанного сушильного агента в нижнюю камеру; 18 - патрубок для выхода отработанного сушильного агента из нижней камеры; 19 - заслонка; 20 - жалюзи

Рисунок 2.1 - Конструктивно -технологическая схема сушилки аэродинамического нагрева с комбинированным теплообменником

Сырье загружают в сушильную камеру 1 через дверь 2. В начале сушки на этапе разогрева сушилки заслонка 19 находится в положении, перекрывающем подачу отработанного сушильного агента в камеры комбинированного теплообменника 7. Атмосферный воздух через входной патрубок 13 поступает в среднюю камеру пластинчатого теплообменника. Двигаясь по каналам 16, атмосферный воздух подогревается за счет теплообмена с теплообменной поверхностью солнечного коллектора 9 и через выходной патрубок 14 средней камеры и входной патрубок 3 сушильной камеры 1 поступает к нагревательному ротору 5, который обеспечивает дальнейший нагрев и циркуляцию сушильного агента по замкнутому контуру сушильной камеры 1. Контактируя с высушиваемым сырьём, сушильный агент насыщается удаляемой влагой, а через выходной патрубок 4 частично сбрасывается в атмосферу. При этом подогрев атмосферного воздуха (сушильного агента) в пластинчатом теплообменном аппарате 7 осуществляется за счет энергии солнечного излучения.

При достижении температуры сбрасываемого из сушильной камеры отработанного сушильного агента температуры подогретого сушильного агента, поступающего из комбинированного теплообменника 7, заслонка 19 ставится в положение, обеспечивающее подачу отработанного сушильного агента через входные патрубки 11 и 17 обратно в комбинированный теплообменник 7. Это обеспечивает дополнительный подогрев атмосферного воздуха (сушильного агента) за счет передачи теплоты отработанного сушильного агента через теплообменные поверхности 8. Отработанный сушильный агент удаляется из комбинированного теплообменника 7 через выходные патрубки 12 и 18. При этом обеспечивается повышение коэффициента рекуперации теплоты и использование энергии солнечного излучения для подогрева сушильного агента в начальный период работы сушилки до её выхода на рабочую температуру в сушильной камере.

Оптимальный температурный режим в сушильной камере устанавливается за счет регулирования подачи атмосферного воздуха приточной заслонкой и положением жалюзи ротора-нагревателя.

Для прогнозирования теплотехнических характеристик сушилки аэродинамического нагрева с комбинированным теплообменником в зависимости от переменных внешних факторов необходимо знать зависимость температуры сушильного агента на выходе из комбинированного теплообменника от времени работы сушилки.

Такая зависимость связывает параметры переменных внешних факторов с конструктивными параметрами и режимами работы комбинированного теплообменника, что позволяет провести моделирование его выходных параметров в зависимости от различных внешних условий и теплового режима в сушильной камере.

2.2 Обоснование площади теплообменной поверхности

Мощность теплового потока Q, передаваемого отработанным сушильным агентом в комбинированном теплообменнике через теплообменную поверхность, равна мощности теплового потока, воспринимаемого подогреваемым сушильным агентом с учетом мощности потока потерь теплоты через стенки теплообменника:

о = ¿0с0.а Т2-Т2 = £0с,с Гг - Г,с +(}п = КлРтлА^ Вт, (2.1)

где Ьо - расход атмосферного воздуха, кг/с;

со.а, со.с - соответственно, теплоемкость отработанного сушильного агента и атмосферного воздуха, Дж/(кг-°С);

Г2 - температура отработанного сушильного агента на входе в комбинированный теплообменник, °С;

Г3 - температура отработанного сушильного агента на выходе из комбинированного теплообменника, °С;

Т± - температура сушильного агента на входе в сушилку, °С;

Тос - температура окружающей среды, °С;

Qп - мощность потока потерь теплоты в окружающую среду через ограждения

комбинированного теплообменника, Вт; к^. п - коэффициент теплопередачи, Вт/(м •°С); ^г.п - площадь теплообменной поверхности, м2; Л£ф - температурный напор, °С.

Поскольку в верхней и нижней камерах комбинированного теплообменника нет организованных для направленного движения воздуха каналов, а воздух, движущийся по каналам средней камеры периодически меняет свое направление движения, то нельзя определенно утверждать, какая схема движения теплоносителя и подогреваемого воздуха является определяющей: прямоточная, противоточная или перекрестная.

Поэтому на основании [3] примем допущение, что при отношении Atб/ Л£м < 2 температурный напор можно считать как среднее суммы наибольшей и наименьшей разницы температур (рисунок 2.2).

Тогда температурный напор будет равен:

дг- = 0,5 Мб + = 0,5 (7*3 - Г0.с + Т2- ГД

(2.2)

где Агб,А£м - наибольшая и наименьшая разница температур.

Потери теплоты в окружающую среду

ап = кР(Тсм - Т0Л (2.3)

где к - коэффициент теплопередачи через ограждения комбинированного теплообменника, Вт/(м -°С);

F - площадь ограждений комбинированного теплообменника, м2;

Тст - температура стенок комбинированного теплообменника, °С.

Тогда, с учетом выражений (2.2) и (2.3) уравнение (2.1) представим в виде

^осо.с ~Т0,с + № Тсш — Гос = О^^гп/^лС^з ~Т0,с + Т2 — 7^). (2 4)

Примем, что температура стенок комбинированного теплообменника находится в прямой зависимости от температуры омывающего их отработанного сушильного агента, т.е.:

Тсм = ааТ2+Ьа, (2.5)

где аа, Ьа - эмпирические коэффициенты пропорциональности.

Также примем температуру отработанного сушильного агента на выходе из комбинированного теплообменника пропорциональной средней температуре между температурой подогретого сушильного агента на выходе из комбинированного теплообменника и температурой отработанного сушильного агента на входе в него:

тз = а^ + Т^/2) + Ь3,

(2.6)

где а3 ,Ь3 - эмпирические коэффициенты пропорциональности.

Проведя преобразования, с учетом выражений (2.5) и (2.6) из уравнения (2.4) выразим площадь теплообменной поверхности:

Из уравнения (2.7) можно выразить температуру подогретого сушильного агента

Исходя из предлагаемой конструкции комбинированного теплообменника, можно установить связь между площадью теплообменной поверхности и площадью ограждений комбинированного теплообменника F (рисунок 2.3), учитывая, что:

Г = 1Ь + 2с 1 + Ь = 0,5/^/71 + 2 с 1 + Ъ = 0,5£.п /п + 7,68 с, (2.9)

где I - длина крыши сушильной камеры, I = 2,31 м; Ь - ширина крыши сушильной камеры, Ь = 1,53 м; с - высота ограждения комбинированного теплообменника, м; п - количество секций в комбинированном теплообменнике (средних камер или парных комплектов теплообменных поверхностей, расположенных друг над другом по вертикали).

¿рСр.с 71~Т0|С +кР(ааТ2+Ьа-Т0шС)

(2.7)

к¥ ааТ2+Ьа-Т0шС -¿осР|СТО|С-0,5^Т|Пктл(Т2 0,5а3+1 +Ь3-Т0-С)

о.с

(2.8)

Рисунок 2.3 -

Схема к определению площади ограждения комбинированного теплообменника

Тогда, с учетом выражения (2.9) уравнение (2.7) будет иметь вид:

р __1рСо.с 71-Го.с +7,68с_

т,п 0,5ктл Т± 0,5а3-1 +Т2 0,5а3 + 1 +Ь3-Т0С -О,Ък/п

(2.10)

Расход атмосферного воздуха Ьо в теплообменнике представим через расходы двух подсасывающих патрубков сушильной камеры в виде:

¿о = 2^-КбРв = 0,04Кб, кг/с,

4

(2.11)

где й - внутренний диаметр патрубка подсоса воздуха в сушильную камеру, й = 0,08 м;

Ув - скорость движения подсасываемого воздуха в патрубке, м/с;

3 3

рв - плотность атмосферного воздуха, кг/м , рв = 1,29 кг/ м . Подставим выражение (2.11) в (2.10):

р __0,04Увсос 71-7^ + 7,68с_

т,п 0,Вкт.л Т± 0,5а3-1 +Т2 0,5а3 + 1 + Ь3-Г0С -0,5к/п

(2.12)

Выражение (2.12) устанавливает функциональную зависимость вида = ДТ{) при заданных значениях температуры окружающей среды и отработанного сушильного агента на выходе из сушильной камеры.

2.3 Обоснование сечения и количества каналов средней камеры комбинированного теплообменника

Одним из условий обеспечения наименьшего гидравлического сопротивления воздуховодов сушилки является равенство их сечений.

Исходным в данном случае является сечение подсасывающих патрубков, т.к. сечение окна выброса отработанного сушильного агента регулируется жалюзи типа «ромашка».

При внутреннем диаметре подсасывающего патрубка 0,08 м общая площадь сечения двух подсасывающих патрубков будет равна 0,01 м .

Соответственно площадь сечения канала средней камеры комбинированного теплообменника также должна быть равна 0,01 м .

Тогда, количество каналов определим как отношение площади сечения средней камеры к площади сечения одного канала.

Площадь сечения средней камеры в пределах габаритов сушилки будет определяться по формуле:

где И - расстояние между теплообменными поверхностями, м.

По рекомендациям для воздушных солнечных коллекторов [102] примем И = 0,05 м.

Тогда, выражение (2.13) примет вид:

/"с = Ъ ■ И ■ 71,

(2.13)

^ = 0,0765я, м2.

(2.14)

Число каналов средней камеры будет равно:

N = = (2.15)

0,01 0,01

Таким образом, принимаем число каналов средней камеры равным 8 (в каждом комплекте теплообменных поверхностей).

2.4 Математические модели рабочего процесса сушилки аэродинамического нагрева с комбинированным теплообменником

Целью математической модели рабочего процесса сушилки аэродинамического нагрева с комбинированным теплообменником является установление функциональной зависимости температуры подогретого сушильного агента на выходе из комбинированного теплообменника от его конструктивных параметров и режимов работы.

На рисунке 2.4 представлена схема движения сушильного агента с изменением его параметров в процессе сушки.

¿0, ¿1, ¿2 - изменение энтальпии сушильного агента;

хн, хк - начальное и конечное влагосодержание сушильного агента;

Жк - начальная и конечная влажность продукта; Он, Ок - начальная и конечная масса продукта; дсэ - плотность потока солнечной энергии 1 - сушильная камера; 2 - комбинированный теплообменник

Рисунок 2.4 - Схема движения сушильного агента с изменением его параметров в процессе сушки

Так как воздушный солнечный коллектор эффективно работает в дневное время в период с 8 до 18 часов, то для этого периода и составим уравнение теплового баланса комбинированного теплообменника. При этом учитываем подачу отработанного сушильного агента только в нижнюю камеру комбинированного теплообменника. Количество теплоты, передаваемой подогреваемому сушильному агенту из верхней камеры, будет определяться активностью солнечной радиации.

Уравнение теплового баланса комбинированного теплообменника за бесконечно малый промежуток времени Ш:

д$ал + &<1ел + й(}ол = д$сл + + <г<2е + с1<гп, Дж , (2.16)

где dQа.в - количество теплоты, поступившей в комбинированный теплообменник с атмосферным воздухом; dQс.э - количество теплоты, поступившей с солнечной энергией и поглощенной

тепловоспринимающей поверхностью; (1(2оа - количество теплоты, поступившей в комбинированный теплообменник

с отработанным сушильным агентом; dQс.а - количество теплоты, отведенной сушильным агентом (подогретым атмосферным воздухом) после теплообмена с тепловоспринимающими поверхностями;

dQст - количество теплоты, идущей на нагрев стенок комбинированного теплообменника;

dQв - количество теплоты, отведенной в атмосферу отработанным сушильным агентом после теплообмена с тепловоспринимающими поверхностями; dQп - потери теплоты в окружающую среду через ограждения комбинированного теплообменника.

Определим выражения составляющих теплового баланса.

Количество теплоты, поступившей в комбинированный теплообменник с атмосферным воздухом,

Ща.е = ЪоЧ * <*£, (2.17)

где /0(0 - энтальпия атмосферного воздуха в зависимости от времени в период сушки, Дж/кг.

Количество теплоты, поступившей с солнечной энергией и поглощенной тепловоспринимающей поверхностью,

Щс.э = Чс^Ук^ (2.18)

где дс.() - плотность потока солнечной энергии в зависимости от времени в

2

период сушки, Вт/м ;

2

рк - площадь тепловоспринимающей поверхности, м ; е - степень черноты поверхности.

Количество теплоты, поступившей в комбинированный теплообменник с отработанным сушильным агентом,

Що.а = ¿0*2 £ Ъ (2.19)

где г2([) - энтальпия отработанного сушильного агента в зависимости от времени в период сушки, Дж/кг.

Количество теплоты, отведенной сушильным агентом после теплообмена с тепловоспринимающими поверхностями,

Щс.а = (2.20)

где ¡^ - энтальпия сушильного агента в зависимости от времени в период сушки, Дж/кг.

Количество теплоты, идущей на нагрев стенок комбинированного теплообменника,

¿Ост = КшСст^Тст, (2.21)

где Мст - масса стенок комбинированного теплообменника, кг;

Сст - теплоёмкость материала стенок комбинированного теплообменника, Дж/(кг-К);

dTсm приращение температуры стенок комбинированного теплообменника, К.

Количество теплоты, отведенной в атмосферу отработанным сушильным агентом после теплообмена с тепловоспринимающими поверхностями,

<1(2в = (2.22)

где 13(£) - энтальпия отработанного сушильного агента после теплообмена с тепловоспринимающими поверхностями в зависимости от времени в период сушки, Дж/кг.

Потери теплоты в окружающую среду

dQn = kF(Tcm (i) - Т0шС (£))di, (2.23)

где Tcm(t) - температура стенок комбинированного теплообменника в зависимости от времени в период сушки, К; T0.c(t) - температура окружающей среды в зависимости от времени в период сушки, К.

Подставив полученные выражения (2.17 -2.23) в уравнение (2.16), получим:

¿„¿и Ь И +- ч„ t Fx£dt +- 1й12 t ЛЬ = £„¿1 t йЬ + + - т^СО)^. (2.24)

После преобразований уравнения (2.24) получим:

-¿ЯС0 +?Й1Э ЬРкЕ+кРТос t = (225)

В результате экспериментальных исследований было установлено, что в зависимости от режима работы сушилки характер изменения температуры отработанного сушильного агента Т2 на выходе из сушильной камеры различный.

Так в режиме обратного вращения ротора-нагревателя температура Т2 в течение основного времени постоянной скорости сушки практически не меняется.

В режиме прямого вращения ротора и на этапе нагрева материала при обратном вращении температура Т2 постоянно растет.

Рассмотрим режим обратного вращения ротора-нагревателя с подачей отработанного сушильного агента только в нижнюю камеру теплообменника.

Примем, что температура стенок комбинированного теплообменника находится в прямой зависимости от температуры отработанного сушильного агента, т.е.:

^(0 = <*аТ2 + Ьа, (2.26)

где Т2 - температура отработанного сушильного агента на входе в комбинированный теплообменник, К; а2, Ь2 - коэффициенты пропорциональности.

С учетом того, что <1Тста = (1(ааТ2 + Ьа) = 0 уравнение (2.27) будет иметь

вид:

Ь01а1 +¿2 * -¿3(0 ЬР^в+кРТ., t Л - ИР(ал Т2 +Ьа)& = 0. (2.28)

Для функций ¡оф, ¡1(1), ¡2, ¡зО), да.эО), То,известно, что:

¿о(0 = Сс.вГос(£) + 0,00:Ь:н(г0 + СпГ0,(0), (2.29)

4(0 = ЬеЛ (О + 0,001хн(г0 + 0^(0), (2.30)

к = Сс.БГ2 + 0,001хк(го + СПГ2), (2.31)

¿а (О = Сс.вГ3(£) + 0,001хк(г0 + СпГ3(0), (2.32)

где Ссв- теплоёмкость сухого воздуха, кДж/(кг-К);

,хн, ,хк - соответственно, начальное и конечное влагосодержание сушильного агента, г/кг;

г0- удельная теплота парообразования при температуре О °С;

Сп- теплоёмкость пара, кДж/(кг-К).

Известно, что температура атмосферного воздуха пропорциональна плотности потока солнечной энергии [8]

То.с £ = аоЧс.з г + К (2.33)

где а0, Ь0 - эмпирические коэффициенты;

ЧсЛЪ = ас.3*2 + Ъслг + с„ (2.34)

где ас.э ,Ьсэ ,ссэ - эмпирические коэффициенты.

Примем температуру отработанного сушильного агента на выходе из комбинированного теплообменника пропорциональной средней температуре между температурой подогретого сушильного агента на выходе из

комбинированного теплообменника и температурой отработанного сушильного агента на входе в него:

Г3 I = а3«Тг £ +Т2)/2) + Ь3. (2.35)

Тогда, с учетом выражений (2.26-2.35) уравнение (2.25) будет иметь вид:

Тг £ =к10г2+ К^ + К12, (2.36)

где К0 = 0,5а3 Т2 + Ь2; Кг = Ссв + 0,001^;

К2 = Ь0Т2 ссе + 0,001 Спх^ + сс э£^тп + кР(а0ссз + Ь0-ааТ2- Ъа);

^з = ас.э№,.п + кРа0); = ЬClЭ(£Fmln + Л^а0);

= ¿0 КХЪ0 - 0,001 СпхкК0 - ссвК0 +К2 ;К6 = 10Кха0ас_3 + К2;

К7 = Ь0К1а0Ьсз + К^; Кв = Ь0К1а0ссз + К5;

Къ = 10Кх + 0,5ссеа3 + 0,0005Сл^а3 ; Ки = К6/К9; К1± = К7/К9;

К12 = ^а/^9-

Использование зависимости (2.36) применимо для времени суток ? £ [8^18] ч. Для остального времени суток, а также для условий отсутствия прямой солнечной радиации в пасмурную погоду значение температуры подогретого сушильного агента на выходе из комбинированного теплообменника определяется по формуле (2.8).

Теперь рассмотрим режим сушки, когда температура Т2 постоянно растет.

В этом случае зависимость температуры стенок комбинированного теплообменника от температуры отработанного сушильного агента за время сушки tc будет иметь вид:

Tcm(tc) = aaT2(tc) + ba. (2.37)

Температура отработанного сушильного агента на входе в комбинированный теплообменник в процессе сушки имеет тенденцию непрерывного роста. Поэтому представим ее в зависимости от времени сушки в виде:

T2(ic) = a2tc + b2, (2.38)

где a2 b2 - коэффициенты пропорциональности.

Перепишем выражение (2.1) в следующем виде:

Q = L0c0.a Т2 (ic) - Г3 (ic) = L0c0, rt(te) - Г0.с +Qn = К.Л.п^, (2.39) где Aipp = 0,5 Ai6 + AiM = 0,5(Г3 (ic) -To c + T2 (ic) - Tt (ic)> (2.40)

Тогда, с учетом выражений (2.3) и (2.40) уравнение (2.39) представим в

виде:

Loco.c ^(О-^о, + kF Tcmtc - т„ = o,SkTXIFTXI тэ tc -г0, + г2 tc -тх tc . (2.41)

После преобразований, с учетом выражений (2.35), (2.37) и (2.38) получим:

Tt te = K19tc + Кш (2.42)

где К13 = Lqcoc + 0,5^^ 1 - 0,5а3 ; К14 = L0cac + kF - 0

К15 = кР ааЪ2 +ьа - 0,5^П^ПЬ3; К16 = 1 + 0,5а3 ;

^17 = а2 (^16 _ О-акРУ, = ^16 _ ^15 + ^14^0.с;

Таким образом, на основании выражения (2.42) температура подогретого сушильного агента на выходе из комбинированного теплообменника в данном режиме сушки будет характеризоваться прямо пропорциональной зависимостью от его конструктивных параметров и режимов работы.

Полученные выражения (2.8), (2.36) и (2.42) зависимости температуры сушильного агента на выходе из комбинированного теплообменника от времени его работы в условиях переменных внешних факторов позволяют моделировать выходные теплотехнические характеристики сушилки аэродинамического нагрева с комбинированным теплообменником.

Коэффициент рекуперации теплоты отработанного сушильного агента определим как отношение приращения мощности теплового потока свежего сушильного агента к мощности теплового потока отработанного сушильного агента, подаваемого в теплообменник, по формуле:

тг ¿оСоЛЪ-То)

Кр = , с т-, (2 43)

где с2 - теплоемкость отработанного сушильного агента, Дж/(кг-°С).

Средняя удельная теплоемкость влажного воздуха в расчете на 1 кг влажного воздуха [1]:

см, = (2.44)

Тогда, выражение (2.43) с учетом (2.44) будет иметь вид:

_ СС|В+3£НСП _ 1+*к , 'То ^ ^^

1+Жн '-С.Б "'"^К^'П

Так как в процессе сушки значения температур в формуле (2.45) переменны, то и коэффициент рекуперации в процессе сушки будет иметь переменное значение.

2.5 Материальный и тепловой баланс сушилки

Материальный баланс высушиваемого материала можно представить в

виде:

Сн = вк + Ж, кг, (2.46)

где № - соответственно масса яблок, сухофруктов и испаренной влаги, кг.

На основании [1]

г, 1/1/ —б №

Ц1 = н н к к, кг, (2.47)

где - соответственно влажность яблок и сухофруктов, %.

С учетом нормы выхода сухофруктов количество испаренной влаги можно выразить в виде:

^ = кг, (2.48)

где Кн - норма выхода сухофруктов, %.

Условная производительность сушилки по яблокам

100 -ж,

£с 100-Гп

-, кг/ч,

(2.49)

по сухофруктам

Ъ = кг/ч, (250)

где (с - продолжительность сушки, ч.

Материальный баланс влаги имеет вид

^ + 10"3£схн£с = Ю"3£схк£с, кг,

100

100

(2.51)

где Ьс - массовый расход сухого воздуха, кг/ч.

Из (2.51) с учетом (2.47) получим количество испаренной влаги:

цр _ ^н^Лк^т п-з

100

10 3£с(хк-*нХ

(2.52)

Расход сухого воздуха из (2.52)

т 10а1Г ,

Ьс =-, кг/ч.

(лск-хн)£с

(2.53)

Тогда на 1 кг испаренной влаги удельный расход сухого воздуха 1с будет равен:

10а

1с=—т-, кг/ч. (2.54)

Тепловой баланс сушилки за весь процесс сушки представлен на рисунке

2.5.

ы

т

о

л

п

е

т д

о

х

и р

П

(Qт+L0i0)tc

Ъ(1-Пв%

Составляющие теплового баланса сушилки

—»• Теплота с сушильным агентом —>

— Теплота аэродинамических потерь в роторе-нагревателе

Теплота на нагрев материала —>

Теплота на нагрев стенок и внутренних конструкций сушильной камеры -

Потери теплоты в окружающую среду

Lo¡2tc

^ксм° Тк- То )

Оссс(Т,к-То)

Рср tc

ы

т

о

л

п

е

т д

о

х

хса

Рисунок 2.5 - Тепловой баланс сушилки за весь процесс сушки

Тогда уравнение теплового баланса за весь процесс сушки будет иметь вид:

(Qт+Loio)tc + ад-ПвХ = Loi2tc + ^кСм(Тк-То) + ОсСс(Тсж-То) + Р^у (2.55)

где Qт - количество теплоты, воспринимаемой сушильным агентом в комбинированном теплообменнике, Дж/с;

N - мощность приводного электродвигателя ротора-нагревателя, Вт;

Пв - внутренний КПД ротора-нагревателя;

см - теплоемкость сухофруктов, Дж/(кг-°С);

Тк - конечная температура нагрева сухофруктов, °С;

Gс - масса стенок и внутренних конструкций сушильной камеры, кг;

сс - теплоемкость стенок и внутренних конструкций сушильной камеры, Дж/(кг-°С);

Тс.к - конечная температура нагрева стенок и внутренних конструкций сушильной камеры, °С;

Рс- площадь наружной поверхности сушильной камеры, м ;

ду - удельный тепловой поток в окружающую среду, Вт/м .

Количество теплоты, воспринимаемой сушильным агентом в комбинированном теплообменнике,

<?т= Ь0со_с Ъ-То . (2.56)

Внутренний КПД ротора-нагревателя пв в среднем составляет 0,12 [100].

Из выражения (2.55) с учетом (2.45), (2.56) и, принимая допущение, что Тс.к = Тк = Т2, выразим требуемую мощность приводного электродвигателя ротора-нагревателя:

N = (Ь0(г2 - г0 - КрС2Т2) + (^ксм + СсСс)(Т2-т + Рс^у)/(1-Пв). (2.57)

Анализ выражения (2.57) показывает, что требуемая мощность приводного электродвигателя ротора-нагревателя снижается при увеличении коэффициента рекуперации теплоты в комбинированном теплообменнике и сушке при более высокой температуре атмосферного воздуха.

2.6 Определение продолжительности процесса сушки

На практике для расчета времени сушки распространен метод А.В. Лыкова, основанный на использовании коэффициента скорости сушки Кс [64]. Он предложил оценивать в периоде постоянной скорости сушки ее продолжительность по выражению:

j^ükJbi, (2.58)

где - влажность продукта начальная, %; М^р! - первая критическая влажность, %; N - скорость сушки, %/ч.

Для периода, когда скорость сушки убывает, уравнение имеет вид:

N = ^Kc(Wk.n-Wv), (2.59)

где Кс - коэффициент скорости сушки первого периода;

Ж'ь п - влажность продукта в начале второго периода сушки, %. Шр - равновесная влажность, %.

Кс = —-—. (2.60)

Так, во втором периоде сушки кривая ее скорости аппроксимируется прямой линией.

Интегрируя выражение (2.59) в пределах о И4 до И^ (конечная влажность материала), а также, учитывая выражение (2.60) и то, что УУкр1 = №к п получим суммарную продолжительность процесса сушки:

и = Ч + у\ткм + 2,3- (М4.п - щ,) ■ . (2.61)

N Угв — гУр

Значения коэффициентов N и влажности определяются на основании анализа кривых сушки, скорости сушки, получаемых в результате экспериментов.

Для оценки применимости данного метода для определения продолжительности сушки яблок в сушилке аэродинамического нагрева необходимо провести соответствующие экспериментальные исследования.

Выводы по главе 2

Выполненные теоретические исследования позволили:

- обосновать конструктивно -технологическую схему сушилки аэродинамического нагрева с комбинированным теплообменником;

- установить теоретическую зависимость площади теплообменной поверхности комбинированного теплообменника от требуемых параметров сушильного агента;

- получить математическую модель зависимости температуры подогретого сушильного агента от конструктивных параметров и режимов работы комбинированного теплообменника и параметров окружающей среды;

- составить материальный и тепловой баланс сушилки.

Для численной реализации полученных математических моделей необходимо провести экспериментальные исследования по нахождению эмпирических зависимостей, вошедших в модели в качестве принятых допущений, а также проверке адекватности данных моделей реальным процессам в сушилке аэродинамического нагрева с комбинированным теплообменником.

ГЛАВА 3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Программа экспериментальных исследований

Для решения поставленных в работе задач экспериментальными исследованиями предусмотрено решение следующих вопросов:

1. Определить физические свойства исследуемого сырья;

2. Определить климатические условия проведения экспериментов;

3. Разработать и изготовить экспериментальный образец комбинированного теплообменника;

4. Исследовать процесс сушки яблок в сушилке аэродинамического нагрева в режиме обратного вращения ротора-нагревателя с использованием комбинированного теплообменника и без него;

5. Исследовать процесс сушки яблок в сушилке аэродинамического нагрева в режиме прямого вращения ротора-нагревателя с использованием комбинированного теплообменника и без него;

6. Произвести планирование и реализацию многофакторного эксперимента по установлению зависимости температуры сушильного агента на выходе из комбинированного теплообменника от его конструктивных параметров и режимов работы и параметров окружающей среды;

7. Провести сравнительную оценку результатов математического моделирования параметров экспериментальной сушилки и результатов экспериментальных исследований;

8. Произвести производственную проверку сушилки аэродинамического нагрева с комбинированным теплообменником и оценить ее экономическую эффективность.

3.2 Описание объекта и измерительного оборудования экспериментальных исследований

На рисунке 3.1 представлена сушилка ПАПРКТО до модернизации.

г д е

Рисунок 3.1 - Сушилка ПАПРКТО до модернизации: а - общий вид; б - вид сушильной камеры без рамы для лотков; в - вид рамы для лотков; г - вид сушильной камеры в сборе; д - ротор-нагреватель; е - вид сушильной камеры с лотками

Основным элементом комбинированного теплообменника является его средняя камера с сечением каналов 220х50 мм. За счет отдельных поворотных

элементов ее внутренних перегородок средняя камера имеет возможность организации движения поступающего в нее воздуха с омыванием им 100, 75 и 50 % теплообменной площади камеры.

Вид каналов средней камеры комбинированного теплообменника при настройке на 100, 75 и 50 % использования теплообменной площади представлен на рисунках 3.2-3.4.

Рисунок 3.2 - Вид каналов средней камеры комбинированного

теплообменника при настройке на 100 % использования теплообменной площади

Рисунок 3.3

Вид каналов средней камеры комбинированного теплообменника при настройке на 75 % использования теплообменной площади

Рисунок 3.4 - Вид каналов средней камеры комбинированного

теплообменника при настройке на 50 % использования теплообменной площади

Для фиксирования температуры нагрева теплообменной поверхности средней камеры на ней со стороны нижней камеры был прикреплен плоский датчик термосопротивления с выводом контактов на измеритель -регулятор температуры ТРМ-138 (рисунок 3.5).

Рисунок 3.5 - Вид нижней теплообменной поверхности средней камеры с датчиком температуры

На рисунке 3.6 показана крыша сушильной камеры, которая служит одной из ограждающих поверхностей нижней камеры комбинированного теплообменника. Для устранения застойных зон в нижней камере в ее боковой стенке сделано 4 симметрично расположенных выходных отверстия.

Рисунок 3.6 - Вид нижней камеры комбинированного теплообменника

На рисунке 3.7 показаны средняя, окрашенная в черный цвет, и нижняя камеры в сборе.