Совершенствование низкотемпературной сушильной установки на основе термотрансформатора тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат технических наук Гордиенко, Юрий Владимирович

• Гордиенко, Юрий Владимирович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гордиенко, Юрий Владимирович

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ПРОЦЕССЫ, СПОСОБЫ И УСТАНОВКИ ДЛЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СУШКИ

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

1.1 Способы низкотемпературной сушки

1.2 Схемы низкотемпературных сушильных установок

1.3 Выбор направления исследований в области низкотемпературной сушки по схеме с использованием термотрансформатора

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ОРГАНИЗАЦИИ ОДНОНАПРАВЛЕННОГО ТЕПЛО-ВЛАГОПЕРЕНОСА В ЧАСТИЦЕ ИНЕРТА С ВНЕШНИМ ВЫСУШИВАЕМЫМ

СЛОЕМ

2.1 Обоснование физической модели

2.2 Разработка математическая модели

2.3 Методика численного решения

2.4 Проведение и анализ численных экспериментов

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СУШИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРА

3.1 Описание экспериментальной низкотемпературной сушильной установки с термотрансформатором

3.2 Методика планирования проведения экспериментов на экспериментальной установке

3.3 Организация проведения экспериментов

3.4 Обработка и анализ экспериментальных данных

3.5 Анализ качества высушенного продукта

Глава 4. ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОДНОНАПРАВЛЕННОГО ТЕПЛО-ВЛАГОПЕРЕНОСА

В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СУШИЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ С ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРОМ

4.1 Энергетическая оценка результатов экспериментов

4.2 Технико-технологическая оценка возможностей выбора эффективного вещества в качестве инерта

4.3 Развитие способов и установок низкотемпературной сушки 104 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 111 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 113 ПРИЛОЖЕНИЕ А - Программа математической модели однонаправленного тепло- влагопереноса

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование низкотемпературной сушильной установки на основе термотрансформатора»

Сушка пищевых продуктов играет существенную роль в сельском хозяйстве и отраслях пищевой промышленности, учитывая влияние сушки на качество высушиваемого продукта и уровень энергозатрат (до 70% всех энергозатрат приходится на обработку продуктов). Поэтому из-за значительной энергоемкости необходимо обеспечить реализацию процессов сушки при минимальных энергозатратах и высокой эффективности сушильных установок /58/.

Традиционно продукты сушат в атмосфере нагретого до температур порядка 100 °С и выше воздуха. При этом отвод влаги из продукта в воздух обеспечивается главным образом в результате нагрева продукта и испарения влаги с его поверхности вследствие значительной величины термического потенциала ЛТс, определяемого разностью температур воздуха Тс и продукта Тпд. Взаимодействие продукта с горячим воздухом приводит к денатурации белков, окислению жиров, карамелизации сахара, потере формы, ароматики и витаминов, а в ряде случаев - к полной утрате требуемых свойств (жизнестойкость злаковых и семян, повышение кислотности жиров и др.). И как результат применения такой технологии - резкое снижению качества высушенных продуктов.

Использование воздуха с параметрами окружающей среды в качестве сушильного агента обеспечивает сохранение всех природных качеств продукта, но вследствие низких значений ЛТс продолжительность сушки велика и в промышленных условиях повышение производительности сушильных установок может достигаться только экстенсивными методами, что в большинстве случаев экономически нецелесообразно.

Новым направлением в технологии сушки пищевых продуктов является низкотемпературная сушка в кондиционированном воздухе с температурой и влагосодержанием меньшими, чем температура и влагосодержание окружающей среды, при которой требуемые параметры воздуха (температура/и влагосодержание ¿/) доводятся до необходимых значений при его обработке в испарителе и конденсаторе холодильной машины, работающей в режиме термотрансформатора (ТТР) /4 /. Этим обеспечивается сохранение высокого качества высушенного продукта, а использование в процессе кондиционирования воздуха компрессионных термотрансформаторов - тепловых насосов позволяет утилизировать теплоту термотрансформации и использовать его холодильный потенциал для осушки воздуха от влаги перед его подачей в сушильную камеру. При такой сушке продукт обезвоживается вследствие паровлажностного потенциала Лрс сушки, определяемый разностью парциальных давлений пара на поверхности продукта р„д и в воздухе рс. Процесс низкотемпературной сушки способствует сохранению исходного качества продукта, снижает интенсивность реакций и степень окисления в продукте, тормозит развитие микроорганизмов /58/.

Повышение производительности сушильных установок интенсивными методами, т.е. путем сокращения продолжительности процесса сушки тс и увеличения скорости сушки, может быть достигнуто при одновременном использовании движущих потенциалов сушильного процесса: Лрс и ЛТС. Применение комбинированных холодильных машин, работающих в режиме теплового насоса, позволяет использовать теплоту конденсации отводимой от продукта влаги, что приводит к снижению удельных затрат энергии на сушку.

Целью диссертационной работы является совершенствование низкотемпературной сушильной установки с термотрансформатором на основе теоретического и экспериментального исследования процессов низкотемпературной сушки с применением термотрансформатора, используя «кипящий» слой предварительно нагретых частиц инертного материала, являющихся аккумулятором тепла, при нанесении на него вязких и пастообразных пищевых продуктов (фруктовые пюре, детское питания, цельное молоко, белки сои водной экстракции и др.).

Тема диссертационной работы соответствует тематическому плану комплексных научно-исследовательских работ Кубанского государственного технологического университета, финансируемых Минвузом РФ по единому заказ-наряду и входит в комплексную тему № 2.13.000 - Разработка прогрессивных материалов, процессов и систем, ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий с использованием вторичных энергоресурсов.

В первой главе проведен литературный обзор и обобщен накопленный опыт по известным схемам сушки и сушильным установкам на основе термотрансформатора, выявлены их недостатки. Рассмотрена гипотеза проф. В.М. Шляховецкого, согласно которой для ускорения процесса сушки и сокращения энергозатрат целесообразно организовать в процессе сушки однонаправленность потоков тепла и влаги. На основании проведенного анализа сформулированы задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрены теоретические положения по организации однонаправленного тепло-влагопереноса в частице инерта с внешним высушиваемым слоем, составлена физическая модель процессов однонаправленного тепло-влагопереноса низкотемпературной сушки по разработанной расчетной схеме, используя дифференциальные уравнения тепло- и влагопе-реноса разработана математическая модель процессов однонаправленного тепло-влагопереноса, происходящего при низкотемпературной сушки вязких пищевых продуктов на предварительно нагретой частице инертного материала, описана методика численного решения, проведены и проанализированы результаты численных экспериментов.

В третьей главе приведено описание экспериментальной низкотемпературной сушильной установки с термотрансформатором, методика подбора основного оборудования, разработаны методики планирования проведения экспериментов, изложен порядок произведенного экспериментального исследования процесса сушки по разработанной расчетной схеме сушки, приведены экспериментальные данные, их обработка и анализ, а также анализ качества высушенного продукта, определены оптимальные температурные параметры проведения низкотемпературной сушки.

В четвертой главе приведены технико-экономическая оценка использования однонаправленного тепло-влагопереноса в низкотемпературной сушильной установке с термотрансформатором, энергетическая оценка результатов эксперимента, рассмотрен вопрос оптимизации толщины наносимого слоя пастообразного пищевого продукта при низкотемпературной сушке, рассмотрены возможности выбора эффективных отдельных веществ в качестве инерта, описаны полученные на основе выполненных исследований принципиально новые способ низкотемпературной сушки и низкотемпературная сушильная установка с термотрансформатором по патенту №2124683.

В заключении сделаны выводы и предложены рекомендации по проделанной работе.

В приложениях приведены распечатка программы алгоритма математической модели динамика процессов тепло-влагопереноса и справки, подтверждающие практическую реализацию выполненной работы.

10

Заключение диссертации по теме «Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения», Гордиенко, Юрий Владимирович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Основываясь на гипотезе проф. В.М. Шляховецкого о целесообразности организации однонаправленности потоков тепла и влаги в высушиваемом продукте с целью интенсификации процесса сушки в кондиционированном воздухе, разработана модель процессов однонаправленных тепло- и влагопереноса при сушке слоя продукта на частице инерта.

2. Разработана математическая модель процессов однонаправленного тепло-влагопереноса, происходящего при низкотемпературной сушки тонкого слоя вязкого пищевого продукта на предварительно нагретой частице инертного материала.

3. С целью проверки гипотезы и разработанной математической модели однонаправленных процессов тепло- и влагопереноса разработан экспериментальный стенд для низкотемпературной сушки на основе термотрансформатора.

4. Проведенными численными и экспериментальными исследованиями процессов однонаправленной низкотемпературной сушки, применительно к белкам сои водной экстракции, подтверждена справедливость исходной гипотезы, получены уравнения зависимостей кинетики сушки, при этом расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышало 15%, при максимальной относительной погрешности измерений 6,5%.

5. Анализы показателей качества высушенного продукта - белков сои водной экстракции свидетельствуют, что основные показатели качества лежат в области, нормируемой по ТУ 182/26-78 - Белок соевый пищевой, техниче ские условия. Определена зона оптимальных температурных условий проведения низкотемпературной сушки: в области температуры подаваемого и кондиционированного воздуха = 50 ° С при влагосодержании с1с = 7,5 г/кг и начальной температуры предварительного подогрева частиц инерта 1д = 70 ° С.

6. На основании экспериментальных исследований произведена оценка энергетической эффективности предварительного подогрева частиц инерта 1о, которую характеризуют сокращение удельного расхода электроэнергии на 1 кг испаренной влаги и удельного расхода электроэнергии на 1 кг высушенного продукта Л^7^, соответственно на 14,4 %, если использованной в экспериментах частице инерта из фторопласта сообщается температурный потенциал АТж = 60 °С. При установленных температурных параметрах низкотемпературной сушки удельный расход электроэнергии в ТТР составляет №УД = 8520 кДж/кг и = 25560 кДж/кг.

7. Выполнена технико-технологическая оценка возможностей выбора эффективных веществ в качестве инерта для использования в схеме НТСУ с ТТР, и в качестве материала инерта рекомендован к применению фторопласт, а при помещении в герметичную оболочку - оксогидрат гидроксида бария.

8. Разработаны способ и схема промышленной НТСУ на базе ТТР (патент № 2124683 РФ 1999 г.), в которых реализуются полученные теоретические и экспериментальные исследования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гордиенко, Юрий Владимирович, 2000 год

1. Беззаботов Ю.С., Гордиенко Ю.В. Проектирование установок низкотемпературной сушки на базе САПР // В сб. тез. докл. Международной науч-но-техн. конф. «Техника и технология пищевых производств», Могилев, 1998.-c.150.

2. Беззаботов Ю.С., Гордиенко Ю.В. Пути развития сушильных установок в кипящем слое с использованием компрессионных термотрансформаторов // В сб. тез. докл. Второй межрегион, научно-практ. конф. "Пищевая промышленность 2000", Казань, 1998. с. 68-69.

3. Берлинер М.А. Измерение влажности. М.: Энергия, 1973. - 399 с.

4. Богданов С.Н., Иванов О.И., Куприянова A.B. Холодильная техника. Свойства веществ. М.: Агропромиздат, 1985.-208 с.

5. Гинзбург A.C. Теплофизические характеристики пищевых продуктов. -М.: Пищевая промышленность, 1980. 225 с.

6. Гинзбург A.C. Технология сушки пищевых продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1976. -248 с.

7. Гинзбург A.C. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1973. - 528 с.

8. Ю.Гинзбург A.C. Сушка пищевых продуктов. -М.: Пшцепромиздат, 1960. -684 с.11 .Гинзбург A.C., Савина И.М. Массовлагообменные характеристики пищевых продуктов. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. - 280 с.

9. Гинзбург A.C., Громов М.А. Теплофизические характеристики картофеля, овощей, плодов. -М.: Агропромиздат, 1987. 272 с.

10. Гинзбург A.C., Резчиков В.А. Сушка пищевых продуктов в кипящем слое. М.: Пищевая промышленность, 1966. - 196 с.

11. Гинзбург A.C. Расчет и проектирование сушильных установок пищевой промышленности. -М.: Агропромиздат, 1985. 336 с.

12. Гинзбург A.C., Дещенко В.П., Никитина Л.М. Массообменные характеристики влажных материалов // Тепло- и массообмен. Минск, 1974. -С.26-31.

13. Гоголин A.A. Осушение воздуха холодильными машинами. М.: Гос-торгиздат, 1962. - 104 с.

14. Гомелаури В.И., Везиришвили О.Ш. Опыт разработки и применения теп-лонасосных установок // Теплофизика. 1978. - № 4.

15. Гордиенко Ю.В., Шляховецкий В.М. Оценка применимости математической модели переноса тепла и влаги в кондиционированный воздух из слоя пищевого продукта // Изв. вузов. Пищевая технология. 1999.5. С. 42-44.

16. Гордиенко Ю.В., Беззаботов Ю.С. Планирование проведения исследований на экспериментальном стенде сушильной установки в «кипящем слое» // Теория и практика хладотехники: Сб. науч. Трудов / Кубан. гос. технол. ун-т. Краснодар, 1998,- С. 17-20.

17. Грачев Ю.П. Математические методы планирования экспериментов. М.: Пищевая промышленность, 1979. - 200 с.21 .Гришин М.А., Атаназевич В.И., Семенов Ю.Г. Установки для сушки пищевых продуктов: Справочник. -М.: Агропромиздат, 1989. 215 с.

18. Гухман A.A. Применение теории подобия к исследованию процессов тепло- и массообмена. М.: Высшая школа, 1974. - 328 с.

19. Данилин В.Н., Боровская Л.В., и др. Тепло- и хладоаккумулирующие материалы. Краснодар, 1991. - 80 с.

20. Дущенко В.П., Байджанов Х.Б., Василенко В.П. Влияние различных форм связи влаги, пористой структуры и температуры на коэффициенты внутреннего переноса типичных дисперсных материалов // Тепло- массопере-нос. Киев, 1968, № 6. - с. 13-18.

21. Каталог "Машины, оборудование, приборы и средства автоматизации для перерабатывающих отраслей АПК", том 1, часть вторая, с.70, М. 1989.

22. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Ч. Справочник по элементарной физике. М.: Наука, 1988.-256 с.

23. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Л.: Машиностроение, 1975. - 776 с.

24. Лебедев П.Д. Расчет и проектирование сушильных установок. М.: Гос-энергоиздат, 1963. - 320 с.

25. Лыков A.B. Тепло- и массообмен в процессах сушки. Л.: Государственное энергетическое издательство, 1956. - 464 с.

26. Лыков A.B. Тепломассообмен: Справочник. М.: Энергия, 1972. - 560 с.

27. Лыков A.B. Теория сушки. М.: Энергия, 1968. - 472 с.

28. Лыков A.B., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массопереноса. М.: Гос-энергоиздат, 1963. -415 с.

29. Лыкова A.B. Коэффициенты диффузии влаги влажных материалов в процессе сушки // Тепло- и массоперенос. Минск, 1968. - с. 134.

30. Мартыновский B.C. Циклы, схемы и характеристики термотрансформаторов / Под ред. В.М. Бродянского. М.: Энергия, 1979. - 288 с.

31. Никитина Л.М. Потенциал переноса массы в коллоидных капиллярно-пористых телах // Наука и техника. Минск, 1965. - 497 с.

32. Никитина Л.М. Термодинамические параметры и коэффициенты массопе-реноса во влажных материалах // Энергия. Минск, 1968. - 500 с.

33. Пасконов В.М., Полежаев В.И., Чудов П.Л. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена. М.: Наука, 1984,- 288 с.

34. Петров И.К. Технологические измерения и приборы в пищевой промышленности. -М.: Агропромиздат, 1985. -344 с.

35. Петров И.К., Солошенко М.М., Царьков В.А. Приборы и средства автоматизации для пищевой промышленности. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. -416 с.

36. Рабинович С.Г. Погрешности измерений. Л.: Энергия, 1978. - 262 с.

37. Рей Д., Макмайкл. Тепловые насосы. М.: Энергоиздат, 1982. - 224 с.

38. Романков П.Г., Рашковская Н.Б. Сушка во взвешенном состоянии. Л.: Химия, 1979.-271 с.

39. Романков П.Г. Сушка во взвешенном состоянии. Л.: Химия, 1968.-360 с.

40. Смольский Б.М. Внешний тепло-массообмен в процессе конвективной сушки. Минск: Изд-во Белгосуниверситет, 1957. - 206 с.

41. Справочник по специальным работам. Наладка, регулировка и эксплуатация систем промышленной вентиляции. М.: Государственное издательство по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1962. -556 с.

42. Суслов А.Э., Ионов А.Г., Эрлихман В.Н. Оптимизация температурных напоров в теплообменных аппаратах теплонасосной сушильной установки.// Холодильная техника, 1989. № 6. - С. 49-52.

43. Тепловые насосы и энергоснабжение // Холодильная техника, 1988. № 6. - С. 57-58.

44. Трухан Ю.В., Шуляков Ю.М. Планирование, анализ и обработка результатов исследований. Краснодар, 1979. - 92 с.

45. Филоненко Г.К., Гришин М.А., Гольденберг Л.М. Сушка пищевых растительных материалов. М.: Пищевая промышленность, 1971. - 439 с.

46. Чайченец Н.С. Методика эксергетического анализа теплонасосных сушильных установок // Холодильная техника, 1990. № 11. - С. 21-25.

47. Чуприна А.И. Исследование равновесной влажности и массообменных характеристик некоторых пищевых продуктов // Наука и техника. Минск, 1961. - 125 с.

48. Шаззо Р.И., Шляховецкий В.М., Беззаботов Ю.С. Энергетическая оценка теплонасосной установки для сушки пектина II Изв. вузов. Пищевая технология. 1993. - № 5. - С. 43-48.

49. П1аззо Р.И., Шляховецкий В.М. Низкотемпературная сушка пищевых продуктов в кондиционированном воздухе. М.: «Колос», 1994. - 119 с.

50. Шляховецкий В.М., Гордиенко Ю.В. Перенос тепла и влаги в кондиционированный воздух из слоя вязкого пищевого продукта с внутренним источником тепла // В сб. тез. докл. Международной научно-техн, конф.

51. Пищевая промышленность России на пороге XXI века: Научное и инженерное обеспечение пищевых и перерабатывающих отраслей АПК» , М., 1996. с. 17-18.

52. Щербинина JI.A. Исследование процесса и разработка режимов сушки семян сои: 05.18.03: Дис. на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 1974. - 176 с. - Библиогр.: С. 115-135 (192 назв.).

53. Юдашкин М.Я., Карлов М.П. Механическое оборудование установок очистки газов. М.: Металлургия, 1979. - 247 с.

54. Янтовский Е.И., Левин Л.А. Промышленные тепловые насосы. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 128 с.

55. Янтовский Е.И., Пустовалов Ю.В. Парокомпрессионные теплонасосные установки. -М.: Госэнергоиздат, 1982. 144 с.

56. Pichel М. Physical-chemical Processes during freezedryng of Proteins, Ashral Journal, March, 1965.119