Problemele energeticii regionale 1(18) 2012 termoenergetică электромагнитные технологии обезвоживания сырья
жүктеу/скачать 219.42 Kb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Число
PROBLEMELE ENERGETICII REGIONALE 1(18) 2012 TERMOENERGETICĂ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ СЫРЬЯ Бурдо О.Г., Терзиев С.Г., Яровой И.И., Борщ А.А. Одесская национальная академия пищевых технологий, г. Одесса, Украина Аннотация. Рассмотрены схемы и механизмы переноса влаги при обезвоживании капиллярно-пористых тел. Для разных форм связи влаги анализируются механический, термический и диффузионный механизмы, определены движущие силы и коэффициенты скорости процессов. Показана перспективность обезвоживания в электромагнитном поле микроволнового диапазона частот. Предложен новый обобщенный комплекс, который учитывает специфику микро- и нанокинетики переноса влаги в продуктах. Дается пояснение механизмов процессов бародиффузионного влагопереноса в продукте. Приводятся результаты экспериментальных исследований, в которых доcтигнуто удельное потребление энергии в 1,9 МДж на 1кг удаленной влаги. Представлены результаты испытаний ленточной сушилки с микроволновыми и инфракрасными генераторами энергии. Ключевые слова: влагоперенос, диффузионный механизм, бародиффузия, нанокинетика. TEHNOLOGII ELECTROMAGNETICE DE DESHIDRATARE A MATERIEI PRIME Burdo O.G., Terziev S.G., Iarovoi I.I., Borşci A.A. Academia Naţională de Tehnologii Alimentre din Odesa, Ucraina Rezumat. În lucrare sunt studiate scheme şi mecanisme de transfer al umidităţii unui process de deshidratare a corpurilor capilar-poroase. Se analizează mecanisme mecanice, termice şi difuzive ale diferitor forme de cuplare a umidităţii şi sunt stabilite forţele motrice şi coeficienţii de viteză a proceselor. S-a demostrat perspectivitatea deshidratării în câmpul electromagnetic cu diapazon de frecvenţă de microunde. Este propus un complex nou generalizat, care ţine cont de specificul de micro- şi nanocinetică a transferului umidităţii în produse. Se prezintă rezultatele cercetărilor experimentale, în care s-a atins un consum specific de energie de 1,9 MJ pe 1 kg de umidităţe evacuată. Sunt prezentate rezultatele testărilor uscătorului cu banda în care se utilizează generatoarele de microunde şi unde infraroşii. Cuvinte-cheie: transferul umidităţii, mechanism de difuzie, barodifuzie, nanocinetică. RAW MATERIAL DEWATERING ELECTROMAGNETIC TECHNOLOGIES Burdo O.G., Tersiev S.G., Yarovoy I.I., Borshch A.A. Odessa National Academy of Food Technologies, Odessa, Ukraine Abstract. Moisture transfer schemes and mechanisms of capillary-porous materials dehydration are considered. Mechanical, thermal and diffusive mechanisms for different moisture linkage forms are analyzed, driving forces and velocity coefficients of processes are estimated. Availability of dehydration in microwave frequencies range field is shown. A new generalized complex that takes into account a specificity of micro- and nanokinetics of moisture transfer in products is proposed. The explanation of barodiffusive moisture transfer process mechanism in a product is shown. The results of experimental researches, in which specific energy of 1,9 MJ per 1 kg of removed moisture is reached, are shown. The tests results of the band dryer with microwave and infrared energy generators are presented. Keywords: moisture transfer, diffusive mechanism, barodiffusion, nanokinetics Введение. Традиционно в пищевой и перерабатывающей промышленности широко используются технологии конвективной сушки, реализованные в разнообразных по конструкции сушилках: шахтных, ленточных, барабанных, в которых передача теплоты к сырью осуществляется при помощи сушильного агента, через внешнюю оболочку продукта к внутренним слоям. Подробный анализ наиболее распространённых технологий конвективной сушки [1, 2] показывает, что сушильное оборудование по энергоемкости, экологическим регламентациям, безопасности продукта не отвечает современным требованиям. Традиционные подходы в технологиях сушки столкнулись с непреодолимым противоречием. С одной стороны, для интенсификации процессов тепломассопереноса требуется увеличивать скорость (т.е. расход) сушильного агента. С другой стороны, чем больше расход теплоносителя, тем больше теряется тепловой энергии с выбросами установки. Представляется, что выход для решения обозначенного противоречия связан с изменением принципов подвода энергии к продукту. Новая техническая идея, которая защищается в этой работе, основывается на 2 положениях [2, 3]. Во-первых, следует снять с воздуха задачи теплоносителя, а оставить только задачи диффузионной среды, среды, которая обеспечивает эффективный «прием» влаги из продукта. Во-вторых, организовать объемный подвод энергии к продукту. Реализация первого положения позволит существенно сократить потери теплоты с отработавшим воздухом, а второго – серьезно сократить время процесса. Механизмы переноса влаги из капиллярно-пористых тел. Согласно общепринятой классификации П.А. Рабиндера существует 3 формы физической связи влаги с материалом. Представляется, что разные по физической сути виды связи требуют и разные механизмы их разрыва. Причем, это не обязательно должны быть только диффузионные процессы. Все определяют движущие силы, которые могут иметь разнообразную природу. В настоящее время созданы новые, перспективные виды оборудования, эффективность работы которых сложно объяснять с позиций современной теории сушки. Из этого следует:
Исходя из этого, анализируются возможные схемы переноса влаги (табл.1). Представляется, что возникающие при описании процесса сушки проблемы объясняются тем, что авторы, сторонники феноменологического подхода, рассматривают сушку как некий один процесс с постоянными коэффициентами переноса и формируют модели из этих предположений. В данной работе выдвигается гипотеза, что сушка это результат действия, на принципе суперпозиции, по меньшей мере, трех процессов: перенос влаги с поверхности твердого тела, перенос влаги в стесненных условиях капилляров и десорбция влаги. Каждый из этих процессов характеризуется своим значением движущей силы и кинетическим коэффициентом скорости процесса. Для разных процессов эти параметры могут существенно отличаться. Каждый из трех процессов подчиняется своим законам переноса, и реализуются за счет разных механизмов (табл. 1). Механическое удаление влаги с поверхности тела проводят при, так называемой «фильтрационной сушке». При удалении влаги в среду перегретого водяного пара осуществляется типичный теплоперенос испарением. Эти процессы нельзя называть «сушкой» и моделировать их диффузионными механизмами. И вопрос здесь не столько в терминологии, сколько в принципах построения полных моделей процессов обезвоживания. Таблица 1 Схемы и механизмы переноса влаги из капиллярнопористых тел
  
 
  K12 K23
K21 K32   
   K13 K31
  
  
а) б) Рис.1. Граф тепловлагопереноса при сушке: а) – традиционный подход, б) – предлагаемая модель Диффузионная модель сушки должна учитывать распределение во времени поверхностной влаги (UР), влаги в капиллярах (UК) и адсорбционно- связанной влаги (UА). При такой постановке усложняются как граф тепловлагопереноса (рис.1), так и система уравнений А.В.Лыкова, увеличится число феноменологических коэффициентов кij [4]. Выдвинутая гипотеза не противоречит фундаментальным представлениям физики влажного капиллярнопористого тела. Общепризнанна схема П.А.Ребиндера форм связи влаги [2]. Удаление влаги разных форм связи это разные процессы со своими коэффициентами переноса, со своим потенциалом, движущей силой (табл.2). Таблица 2 Характеристика основных процессов при сушке
Попытка коррекции движущей силы с помощью показателя активности воды аi известна в мировой практике [2]. Комбинированные процессы обезвоживание продукта при электромагнитном подводе энергии. Перспективным является обезвоживание продукта при электромагнитном подводе энергии (ИЭМ). Механическое удаление влаги с поверхности и ее доставка к поверхности волновыми технологиями имеет ряд существенных преимуществ. Во-первых, в традиционных подходах градиент влагосодержаний направлен в глубину продукта, а температуры – к поверхности. При ИЭМ градиент температуры направлен в середину продукта. Именно этот факт позволяет инициировать гидродинамический поток влаги из капилляров к поверхности. Во-вторых, на нагрев сухой части продукта тратится меньшее количество энергии. А это – предпосылки энергетической эффективности ИЭМ способа удаления влаги [1]. В этой связи необходимо снять с воздуха задачи теплоносителя, остаются только задачи «приемника» влаги. Техническая идея способа ИЭМ удаления влаги основывается на специфичном характере градиентов температур и влагосодержаний в продукте при объемном, электромагнитном подводе энергии. Возникает вопрос моделирования процесса при ИЭМ подводе энергии. Методом “анализа размерностей” определена структура уравнения в безразмерных переменных. Предложено [2] новое число энергетического воздействия: Bu = N ( r V )-1 для учета влияния действия ИЭМ. Физический смысл числа Bu заключается в том, что устанавливается соотношение между энергией излучения и той энергией, которая необходима для преобразования в пар всей воды (V), которая находится в продукте. В соотношении (r – теплота фазового перехода, а ρ – плотность воды). Число Вu характеризует микро- и нанокинетику переноса влаги. В традиционной конвективной сушке суммарный поток влаги из продукта складывается из потока Кинетический коэффициент скорости для такого гидродинамического потока рассчитывается по законам гидравлики с учетом параметров капилляров.  , (1)
где di – диаметр капилляра; li – длина капилляра; w – скорость движения жидкости в капилляре; – плотность жидкости; – местные сопротивления; – силы поверхностного натяжения; – коэффициент гидравлического трения; g – ускорение свободного падения. Исходя из этих положений поставлен следующий эксперимент, в котором продувка воздухом слоя зерна проводилась импульсно и чередовалась с действием ИЭМ (рис.2). Уровень энергетических затрат (рис.2) показывает, что удаление влаги проходит в виде пара и в виде тумана. Анализ результатов опытов показал, что удельные затраты энергии связаны с диапазоном изменения температур, особенно в режиме продувки (фильтрации) продукта. И, действительно, такая корреляция обнаружена, что позволяет сделать вывод, что достигнутый в опытах уровень энергетических затрат (j) ниже удельной теплоты фазового перехода для воды. 
 
j = 1,9 МДж/кг j = 1,9 МДж/кг а) б) в)
Результаты опытов (рис.2) свидетельствуют, что с уменьшением времени воздействия как при подводе энергии, так и при продувке сокращается время процесса обезвоживания и, что наиболее интересно, удельные затраты энергии. Представляется, что минимизация энергопотребления связана с реализацией следующих принципов: - за счет объемного подвода энергии доставить влагу на поверхность продукта практически без изменения общего влагосодержания, при минимальном нагреве продукта; - в режиме фильтрационного обезвоживания провести механический отвод влаги с поверхности при минимальном снижении температуры поверхности продукта. Из анализа рис. 2 можно сделать два вывода: - существует четкая зависимость между величиной изменения температуры при продувке продукта и значением удельных затрат энергии на удаление влаги из продукта (рис.2,а); - достигнутый в опытах уровень энергетических затрат ниже удельной теплоты фазового перехода для воды. Второй вывод убедительно подтверждает выдвинутую гипотезу о возможности в условиях ИЭМ обезвоживания без обязательного полного парообразования. Так подтверждена выдвинутая гипотеза о возможности в условиях ИЭМ организации обезвоживания без обязательного полного парообразования. Структура уравнения в обобщенных переменных для условий неподвижного слоя сырья, ИЭМ подводе энергии и потока диффузионной среды имеет вид:
Для традиционных схем конвективной сушки расчет коэффициентов массоотдачи проводится на основе критериальных уравнений вида Sh = A Ren Scm . Перспективным может стать обобщение в виде соотношения массообменных чисел Стантона и Пекле:  (3)
Константы в уравнениях определяются при обработке массивов экспериментальных данных. Представляется, что имеющихся в литературе данных достаточно для обобщений многих процессов. Специфика взаимодействия зернового слоя и теплоносителя учитывается определяющим размером и числом Пекле (табл.3). Получение констант уравнения (3) для внутренних задач требует обобщения известных массивов экспериментальных данных с учетом структурных характеристик продукта.
Моделирование массопереноса в дисперсных системах
Предлагаемый подход позволит рассчитывать кинетику сушки при известных режимных параметрах и структурных характеристиках продукта, обосновывать и оптимизировать процессы сушки при комбинированном [2] воздействии на продукт. Важным критерием является, также, и энергетика процесса, величина удельных затрат энергии на удаление влаги. В этой связи, особый интерес представляют способы механического обезвоживания. Естественно, что предложенные принципы требуют серьезных конструкторских решений для обеспечения поточности, безопасности и производительности промышленных установок, которые используют ИЭМ подвод энергии. Обоснование принципа энергетического воздействия. Перспективным способом при организации процесса сушки является технология микроволновой (МВ) обработки сырья, имеющая целый ряд важных отличий от традиционных методов обезвоживания. МВ нагрев обеспечивает подвод энергии во всем объеме материала, а температурой нагрева легко управлять. Интенсивность нагрева не зависит от агрегатного состояния материала - только от его диэлектрических свойств и напряженности МВ – поля создаваемого излучателем. Микроволновый метод нагрева основан на воздействии на обезвоживаемый продукт интенсивного электромагнитного поля сверхвысоких частот (СВЧ). Источником энергии СВЧ генераторов является только электроэнергия, что обеспечивает их исключительную экологическую чистоту. Применение МВ- нагрева основано на сложном физическом эффекте, возникающем при воздействии СВЧ излучения на молекулы воды (в т.ч. и влаги связанной в материале), который для краткости называют «молекулярным трением». В результате такого взаимодействия влага в материале становится источником выделения тепловой энергии, в результате которого частички материала нагреваются «изнутри», а уж в результате повышения температуры в слоях частичек материала возникает градиент влагосодержания, и как следствие движение влаги к поверхности частиц, где она и удаляется вследствие испарения. Причем при снижении влажности сырья процесс сушки продукта не замедляется и на заключительных этапах сушки, МВ - технологии по эффективности и производительности в разы превосходят традиционные конвективные технологии. Микроволновая сушка трав, чая, специй, грибов, фруктов, круп, овощей, рыбы и мяса, характеризуется высокой эффективностью, малым временем обработки и относительно низкой температурой процесса, что применительно к пищевым продуктам обусловливает очень высокую сохранность полезных веществ и витаминов. Современная пищевая промышленность достаточно быстро осваивает микроволновые технологии, в данной области работает уже достаточно большое количество научно – производственных и инновационных предприятий. Сразу несколько молодых компаний восточноазиатского региона активно развивают рынок микроволнового оборудования, предлагая решения для внедрения в самых различных областях применения. Некоторые примеры компании Jinan Adasen Trade Co., Ltd. (Shandong, China (Mainland) [5] и «Zhangjiagang Jiahao Technology Co., Ltd.» (Jiangsu, China (Mainland) [6];. Использование микроволнового воздействия на пищевые продукты и сырье с целью интенсификации технологических процессов является одним из направлений научно исследовательской работы кафедры процессов, аппаратов и энергетического менеджмента Одесской национальной академии пищевых технологий, а разработка усовершенствованных вариантов сушильных установок для растительного сырья традиционные приоритеты в научных исследованиях кафедры. Одной из текущих задач решаемых научным коллективом кафедры является разработка экспериментальной модели ленточной сушилки использующей комбинированный СВЧ и ИК нагрев для сушки и сопутствующего обеззараживания растительного сырья.
В качестве растительного сырья исследовалось зерно пшеницы, размещенное плотным слоем, на подвесе весов в центре микроволновой камеры. Экспериментальная часть исследований включала серию опытов с различными нагрузками (весом зерна) и различной мощностью МВ излучения подводимого к камере. Результаты измерения веса и температуры слоя фиксировались программно – аппаратным комплексом стенда. 
Рис. 3. Стенд для исследования кинетики обезвоживания в электромагнитном поле В непрерывном режиме компьютер обрабатывал информацию, которая поступала с весов и от термопар, и выводил на монитор линии трендов массы продукта, линии сушки и скорости сушки продукта, температуры продукта, воздуха в камере, сухого и влажного термометров на выходе воздуха из камеры. Типичный пример регистрации параметров на мониторе приведен на рис.4. 
Рис.4. Вид программной оболочки для регистрации измерений В ходе серии экспериментов изучались зависимости скорости обезвоживания сырья от величины нагрузки в камере микроволнового нагрева и от мощности излучения. На рис.5…7 приведены графики линий сушки при различных величинах нагрузки камеры и максимальной мощности излучателя.
Анализируя полученные зависимости можно определить, что на линиях сушки присутствует начальный участок соответствующий прогреву слоя материала, величина которого изменяется от 0,5 до 2,5 мин. длительность участка зависит от величины нагрузки. После участка прогрева влагосодержание зернового слоя изменяется практически линейно. Время сушки для наибольшей нагрузки составило около 7 минут.     
Рис.6. Термограммы зернового слоя при сушке в микроволновом поле Не менее показательными в плане демонстрации потенциала микроволновых технологий нагрева являются термограммы процесса нагрева. В ходе каждого из серии проведенных экспериментов, одновременно с изменением массы (влагоудалением) регистрировалась температура зернового слоя. По полученным данным построены термограммы зернового слоя в процессе его обработки. На рис.6 приведены термограммы для наибольшей нагрузки (G = 5.26 кг/м2). Полученные температурные кривые отражают динамику процесса нагрева слоя характерную для всех теплообменных процессов. Максимальная температура слоя для наибольшей нагрузки G = 5.26 кг/м2 составила 550С, параметр достиг данного значения через 2,5 мин. после начала нагрева при полной мощности магнетрона. С уменьшением нагрузки микроволновой камеры скорость нагрева слоя увеличивается и при нагрузке в G=1.32 кг/м2 температура 800С достигается уже на 1-й минуте а при времени 1,5 мин. температура слоя превышает значение в 1000С. По результатам экспериментов построены зависимости скорости сушки от мощности микроволнового излучения в камере нагрева. Мощность изменялась штатными средствами печи, магнетрон работал в импульсном режиме. Градации шкалы изменения мощности на графике соответствуют значениям потребляемой магнетроном электрической мощности. На рис.5 приведены зависимости для наибольшей мощности излучателя Nэ=800 Вт. Полученные зависимости отображают динамику процесса обезвоживания и позволяют оценить изменения скорости сушки. Очевидно, что снижение скорости не наступает до окончания эксперимента. Также прослеживается прямая зависимость между скоростью сушки и мощностью излучения.
Рис.7. Линии скорости сушки пшеницы в микроволновом поле Полученные в результате экспериментальной части исследования данные позволили оценить целесообразность построения экспериментальной сушильной установки на основе микроволновых излучателей (рис.8). 
Рис.8. Структурная схема экспериментального образца ленточной МВ сушилки За основу для построения установки принят ленточный конструктив, с модульным принципом компоновки сушильных секций. В качестве отправных точек для построения установки были выбраны следующие параметры: каждый из трех модулей должен включать микроволновую и инфракрасную камеры, скорость ленточного привода и производительность питателя должны регулироваться в широких пределах, мощность излучателей каждого модуля должна ступенчато регулироваться в пределах 30 – 100% мощности магнетрона, регулирование мощности – импульсная модуляция. Предварительная исследовательская работа и опыт сотрудников кафедры позволили в короткий срок построить экспериментальную установку (рис.9) и приступить к отработке основных технических решений. 
Рис.9. Экспериментальный образец микроволновой ленточной сушилки разработанной и изготовленной в ОНАПТ Технические характеристики экспериментального образца приведены в табл.4. Таблица 4 Основные характеристики сушильной установки
Электромагнитные технологии являются мощным механизмом интенсификации массопереноса в системе "твердое тело – жидкость". Перспективный шаг в эволюции сушильных установок связан с задачей организации частичного механического обезвоживания, что возможно при комбинации бародиффузионных технологий и принципов фильтрационной сушки. Результаты предварительных экспериментальных исследований позволяют сформулировать требования к установке для обезвоживания растительного сырья при комбинированном импульсном воздействии микроволновым полем и фильтрацией слоя. Количество (расход) продукта необходимо согласовывать с мощностью микроволнового поля, а время воздействия ИЭМ должно быть разное для периода прогрева продукта до температуры обезвоживания и для периода непосредственного удаления влаги. В период обезвоживания время воздействия ИЭМ ограничивается допустимым уровнем нагрева продукта. Результаты комплексных исследований разработанного экспериментального образца микроволновой сушильной установки подтвердили перспективность предложенных технических решений для многоцелевой микроволновой обработки растительного сырья. Естественно, что предложенные принципы требуют ряда конструкторских решений для обеспечения поточности, безопасности и производительности промышленных установок.
5. http://www.jnadasen.cn) 6.http://www.bonplas.com) Сведения об авторах   Бурдо Олег Григорьевич – доктор технических наук (1988г.), профессор, заслуженный деятель науки и техники Украины (2009г.), заведующий кафедрой процессов и аппаратов Одесской национальной академии пищевых технологий. Закончил в 1965г. Одесский политехнический институт по специальности инженер теплоэнергетик по автоматизации. Имеет более 400 научных работ, в том числе 48 изобретений. Подготовил 18 кандидатов и двух докторов технических наук. Направления научной деятельности: моделирование процессов переноса при кристаллизации, экстрагировании, сушке; исследования систем охлаждения аппаратуры на основе тепловых и холодильных труб; энергетический менеджмент и пищевые нанотехнологии. Внедряет принципиально новые подходы при конструировании энергоэффективного оборудования (тепломассоутилизаторы, криоконцентраторы, экстракторы, пиролизёры, зерносушилки) и при производстве новых неэнергоёмких пищевых продуктов (концентраты жидкого кофе и жидкого дыма, коньячные спирты, криоконцентраторы соков, молочных продуктов и экстрактов). Принимал участие в разработках программ энергосбережения Одесского региона, г. Одессы, г. Теплодара, энергетических программ, которые внедрены на 90 организациях и предприятиях. Академик Международной академии Холода.
Терзиев Сергей Георгиевич – Председатель Правления ОАО «Одеспищекомбинат», кандидат технических наук (1998г.), заслуженный работник Промышленности Украины. Закончил Одесскую государственную академию пищевых технологий (ныне Одесская национальная академия пищевых технологий). Направления научной деятельности: пищеконцентратное производство. 
Яровой Игорь Иванович – директор Механико-технологического техникума Одесской национальной академии пищевых технологий, аспирант кафедры «Процессов, аппаратов и энергетического менеджмента» Одесской национальной академии пищевых технологий. Закончил в 1996г. Одесскую государственную академию пищевых технологий (ныне Одесская национальная академия пищевых технологий) по специальности автоматизация технологических процессов. Направления научной деятельности: использование электромагнитного поля для сушки и обезвоживания растительного сырья.  Борщ Артём Анатольевич – аспирант кафедры «Процессов, аппаратов и энергетического менеджмента» Одесской национальной академии пищевых технологий. Закончил в 2010г. Одесскую национальную академию пищевых технологий по специальности автоматизация пищевых процессов и производств. Направления научной деятельности: интенсификация процессов обезвоживания растительного сырья в СВЧ поле и под воздействием ИК излучения.
жүктеу/скачать 219.42 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|
, который лимитируется диффузионным сопротивлением в твердой фазе, и потока 
, который преодолевает последовательно сопротивления массопереноса в стесненных условиях капилляра и конвективной диффузии. В предложенном способе за счет ИЭМ часть жидкости переходит в паровую фазу и внутри капилляра растет давление РК..При определенных условиях, это давление становится больше, чем давление воздуха РВ. Возникает движущая сила (РГД = РК - РВ). Отдельные капилляры, где достигнуты условия для генерации паровой фазы, начинают периодически выбрасывать в воздух жидкость, без ее испарения. Инициируется гидродинамический поток из капилляров 
, сопротивление которому на порядок ниже того, которое преодолевает массовый поток 
