Ришад абдулхакимович исследование теплофизических и массовлагообменных параметров вакуумной пеносушки экстракта корня солодки при инфракрасном энергоподводе
На правах рукописи
Подпись автора
ХАЙБУЛОВ
Ришад Абдулхакимович
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ И МАССОВЛАГООБМЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ ВАКУУМНОЙ ПЕНОСУШКИ ЭКСТРАКТА КОРНЯ СОЛОДКИ ПРИ ИНФРАКРАСНОМ ЭНЕРГОПОДВОДЕ
Специальность 01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехника
(технические науки)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Астрахань – 2006
Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет» на кафедре «Технологические машины и оборудование»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Алексанян Игорь Юрьевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Филин Виктор Андреевич
доктор технических наук, профессор
Палагина Ираида Алексеевна
Ведущая организация: ООО Научно-производственное предприятие «Вулкан»
Защита состоится 26 декабря 2006г. в 12-30 на заседании диссертационного совета Д 307.001.03 в ФГОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет» по адресу: 414025, г. Астрахань, ул. Татищева 16, ауд. 5.308.
Факс (8512) 25-73-68. Тел. (8512) 61-42-82
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «АГТУ»
Автореферат разослан 20 ноября 2006г.
Ученый секретарь
диссертационного Совета,
кандидат технических наук, доцент подпись Виноградов С.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Сегодня актуальны разработки, направленные на создание пищевых продуктов лечебно-профилактического назначения, так как экологическая обстановка в мире диктует необходимость использования в питании населения продуктов с защитными и радиопротекторными свойствами. В Астраханском регионе, в связи с наличием ООО «Астраханьгазпром», крупнейшего в России нефтегазоперерабатывающего производственного комплекса, большого числа строительных и химических предприятий резко ухудшилась экологическая обстановка. Поэтому проведение исследований и внедрение их результатов, направленных на охрану и укрепление здоровья населения и рациональное использование природных ресурсов представляет научный и практический интерес.
Одним из растительных продуктов, обладающих лечебными свойствами является лакричный корень (солодки), являющийся нетрадиционным источником витаминов, минеральных веществ и других биологически активных соединений, создание безотходной технологии которого актуально для РФ, где его массовое производство не налажено. Сам корень солодки, а также технология качественных пищевых и лечебно-профилактических продуктов на его основе мало изучены и требуют комплексных исследований по разработке рациональных способов производства готовой продукции и полуфабрикатов (пищевых добавок и премиксов), а также рационального технологического оборудования.
Промышленные внедрения и надежное функционирование линий переработки нетрадиционных продуктов сдерживается отсутствием исследований по выбору рациональных теплофизических и массообменных параметров технологических процессов на отдельных стадиях, такие как экстрагирование, концентрирование и сушка. Традиционные методы обезвоживания не могут быть использованы ввиду значительной сорбционной способности растительных экстрактов, строгих режимных ограничений из-за повышенных требований к качеству продуктов с лечебными свойствами, а также особенностей механизма внутреннего тепломассопереноса. Это ставит задачу поиска новых методов, позволяющих повысить эффективность проведения процесса обезвоживания и получения конечного продукта с заданными качественными показателями.
Настоящая диссертационная работа выполнена в соответствии с координационным планом НИР АГТУ и региональной программой «Создание в Астраханской области комплекса по производству сухих плодоовощных продуктов, переработке и утилизации отходов и производство на их основе кормов, кормовых добавок и других продуктов и товаров», а также в рамках Приоритетного Национального проекта «Развитие отечественного агропромышленного комплекса».
Целью работы является выбор рационального способа организации процесса низкотемпературной сушки экстракта корня солодки (ЭКС) путем экспериментального определения рациональных теплофизических и физико-химических параметров.
Задачи работы:
- определить пути совершенствования тепломассообмена на основе анализа способов сушки и конструкций установок с учетом энергозатрат, экологической безопасности и высоких требований к качеству лечебно-профилактических продуктов;
- аппроксимация теплофизических, гигроскопических, оптических и пеноструктурных характеристик ЭКС на базе экспериментов и теоретического обобщения литературных данных для анализа механизма и моделирования вакуумной сушки при объемном энергоподводе;
- рассчитать распределение поглощенной энергии в оптически тонком слое продукта на базе исследования инфракрасного (ИК) и комбинированного подвода энергии на основе оптических свойств;
- анализ механизма внутреннего тепломассопереноса в результате экспериментального исследования влияния основных факторов на интенсивность влагоудаления и выбор рациональных режимных параметров сушки ЭКС во вспененном состоянии путем изучения и аппроксимации кинетических кривых обезвоживания;
- получение осциллирующих рациональных режимов и критериального уравнения кинетики сушки ЭКС методом анализа размерностей для обобщения экспериментальных данных и рационального проектирования сушильных установок;
- совершенствование и реализация феноменологической математической модели тепломассообмена вакуумной пеносушки ЭКС для анализа и контроля температурных полей;
- выработать рекомендации по конструкторской и технической реализации результатов исследований на основе целевого исследования литературных данных.
Объект исследования. Параметры тепло- и массоопереноса при вакуумной сушке ЭКС во вспененном состоянии при радиационно-кондуктивном энергоподводе.
Методика исследований. Основой исследований является рациональные планирование экспериментов и статистическая, а также численно-аналитическая обработка опытных и теоретических данных по изучению и анализу термодинамиики статического взаимодействия влаги с ЭКС с учетом оптических и структурно-механических свойств и температурных ограничений при сушке лечебно-профилактического продукта для повышения эффективности тепломассоопереноса.
Достоверность результатов исследования. Достижение цели исследования стало возможным благодаря комплексному использованию классических теоретических и экспериментальных методов и корректного применения известных научных достижений в области тепло и массообмена при низкотемпературных методах обезвоживания. Использованные методики расчета, а также предложенные конструкторские решения, согласуются с рациональными схемами их проектирования, а также экспериментальными данными автора. В экспериментах и при их обработке использовались методы математической статистики, а построение численно-аналитической пространственной модели процесса велось с использованием современного программного обеспечения.
Научная новизна. Выбраны рациональные конкурентоспособные методы предварительной обработки и низкотемпературной сушки лечебно-профилактических продуктов на основе анализа литературных данных. Получены аппроксимирующие зависимости теплофизических, гигроскопических, оптических и пеноструктурных характеристик ЭКС, а также рациональные параметры объемного радиационно-кондуктивного энергоподвода, путем расчета распределение поглощенной энергии в оптически тонком слое продукта. Определены экспериментальные зависимости кинетических кривых обезвоживания в тривиальных и обобщенных координатах на основе анализа механизма внутреннего тепломассопереноса в характерных зонах влагоудаления, а также рациональные режимные параметры осциллирующих режимов и эволюция полей температур на основе совершенствования феноменологической математической модели процесса вакуумной пеносушки ЭКС.
Практическая значимость работы. Результаты исследований предназначены для выбора рационального способа влагоудаления и сохранения качественных показателей сухих лечебно-профилактических ЭКС, разработки энерго- и ресурсосберегающих технологий концентрирования, рациональных режимных параметров низкотемпературной высокоинтенсивной сушки и модернизации сушильных установок.
Разработаны и обоснованы рациональные схемы и режимные параметры процессов вспенивания и инфракрасной сушки ЭКС при комбинации с кондуктивным энергоподводом в условиях пониженного давления в сушильной камере, а также устройства для их осуществления. Получены аппроксимирующие уравнения удельного съема сухого материала, кинетических кривых обезвоживания и их критериальная зависимость с учетом влияния определяющих интенсивность тепломассообмена факторов при постоянных и осциллирующих режимах.
Предметом защиты являются следующие основные результаты работы, определяющие ее научную и практическую ценность:
- перспективы развития технологии концентрирования, конкурентоспособные способы сушки и конструкции установок с учетом энергозатрат, экологической безопасности требований к качеству продуктов;
- уравнения зависимости теплофизических, гигроскопических, оптических и пеноструктурных характеристик ЭКС в реальном диапазоне тепло- и массообменных параметров проведения процесса сушки;
- аппроксимирующие зависимости и критериальное уравнение кинетики сушки ЭКС;
- осциллирующие рациональные режимы вакуумной пеносушки при комбинированном объемном энергоподводе;
- рекомендации по конструкторской и технической реализации результатов исследований.
Внедрение результатов работы позволяет:
- сократить время влагоудаления при «бережных» режимах сушки для обеспечения необходимых качественных показателей лечебно-профилактического сухого ЭКС;
- сократить удельные затраты сырья, энергии и материалоемкость сушилок;
- варьировать и выбирать рациональные технологические режимы в зависимости от производственных условий организации процесса сушки, вида и свойств сырья, а также технологических ограничений.
Отдельные результаты диссертационной работы приняты к использованию и дальнейшему внедрению на предприятиях ЗАО «Астраханский пектин», ООО «Биотехсинтез» и ООО НПП «Вулкан»», специалисты которых, рассмотрев результаты исследований и практические рекомендации и анализ качественных показателей готовой продукции подтвердили актуальность работы и экономическую целесообразность внедрения ее результатов.
Работа «Оригинальные технологии и оборудование для сушки, экспандирования и гранулирования пищевых и кормовых продуктов» выполненная при участии автора, отмечена дипломом и серебряной медалью на V Московском международном салоне инноваций и инвестиций 2005 г.
Реализация результатов исследований. На основе экспериментальных исследований и предложенного рационального метода обезвоживания ЭКС разработаны и усовершенствованы методики проведения опытов для сушки продуктов во вспененном состоянии при «бережных» осциллирующих режимах, планируемые к использованию и внедрению на ООО НПП «Вулкан» и ООО «Биотехсинтез». Анализ выводов и предложенных рекомендаций подтвердили целесообразность их использования в рамках региональной программы «Создание в Астраханской области комплекса по производству сухих плодоовощных продуктов, переработке и утилизации отходов и производство на их основе кормов, кормовых добавок и других продуктов и товаров», а также Приоритетного Национального проекта «Развитие отечественного агропромышленного комплекса».
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на Всероссийских и Международных научно - технических конференциях: II Всероссийской научно - технической конференции – выставке с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» в МГУ пищевых производств (г. Москва, 2004г.); IV Международной научно – технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» в Вологодском государственном техническом университете (г. Вологда, 2004г.); Международной конференции «Современные проблемы производства продуктов питания» (г. Барнаул, 2004г.); II Международной научно – технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности»в Воронежской государственной технологической академии (г. Воронеж, 2004г.); международной научной конференции «АГТУ – 75 лет» в Астраханском государственном техническом университете (г. Астрахань, 2005г.); Второй международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы)» СЭТТ – 2005 (г. Москва, 2005г.); Московская международная конференция «Биотехнология и медицина» (г. Москва, 2006г.). Результаты исследований экспонировались на II Всероссийской научно - технической конференции – выставке с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» в МГУ пищевых производств (г. Москва, 2004г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 3 по перечню ВАК РФ.
Личный вклад автора. Автор представил в диссертации только те результаты, которые он получил лично, либо в соавторстве, в том числе: определение актуальности, цели и задач исследований, проведение экспериментов и обобщение результатов теоретических и опытных данных, численно-аналитическая реализация моделей процессов обезвоживания, разработка рекомендаций по практическому использованию результатов работы. Результаты исследований опубликованы коллегиально при равноправном участии автора.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 130 страницах машинописного текста, в том числе 8 таблиц, 30 рисунков, 25 страниц приложений, список литературы из 161 наименования работ отечественных и зарубежных авторов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность развития технологии и техники низкотемпературной сушки лечебно-профилактических продуктов.
В первой главе «Перспективы производства и использования экстракта корня солодки и пути совершенствования тепломассообмена на основе анализа способов низкотемпературной высокоинтенсивной сушки» изучены существующее положение, перспективы производства и области использования ЭКС. Учитывая, что процесс сушки в технологической цепочке является заключительным и самым энергоемким этапом проведен анализ рациональных конкурентоспособных низкотемпературных способов сушки и конструкций установок для лечебно-профилактических продуктов с учетом основополагающих работ А.В. Лыкова, А.С. Гинзбурга, И.А. Рогова, П.Д. Лебедева, И.Ю. Алексаняна, В.К. Тихомирова, С.Г. Ильясова, С.Т. Антипова, А.Н. Острикова, И.Т. Кретова и др. по переработке лечебно-профилактических продуктов и их обезвоживании в обычном и вспененном состоянии Выявлены рациональные элементы схемы организации процесса обезвоживания и конструктивные особенности сушильной установки для ЭКС.
Обоснована цель и задачи исследований.
Во второй главе «Анализ термодинамических закономерностей энергетического взаимодействия экстракта корня солодки с водой на основе изучения физико-химических, теплофизических и оптических свойств» изложены результаты физического и математического обобщения экспериментальных исследований и литературных данных по теплофизическим, оптическим и пеноструктурным характеристикам ЭКС на основе изучения равновесных состояний процесса влагоудаления ЭКС, как объекта сушки.
Для обоснования комбинированного ИК-кондуктивного энергоподвода при сушке определены направленные, и рассчитаны двуполусферические терморадиационные характеристики (ТРХ) ЭКС. Для расчета оптических характеристик (ОХ) ЭКС использованы литературные данные по ТРХ растительных экстрактов (спектральные отражательные 
и пропускательные 
способности ЭКС с различной концентрацией сухих веществ c) (рис.1). Радиационная сушка осуществляется при облучении интегральным потоком, причем интегральные ТРХ зависят от вида, накала генераторов и условий облучения.
 |  |
| а) | б) |
| Рис. 1. Спектральные двуполусферические ТРХ для экстракта корня солодки при толщине слоя 1 мм | |
| а) c = 42 %; б) c = 90 %; 1 – пропускательная, 2 – отражательная способности | |
Для выбора генератора излучения и расчета полей температур по предложенному Ильясовым С.Г. дифференциально-разностному методу получено распределение по толщине слоя объемной плотности поглощенной энергии излучения w = f(x,W,). С этой целью вычислены оптические интегральные характеристики, справедливые для оптически тонкого слоя. При сушке слоя конечной оптической толщины часть теплового потока рассеивается и пропускается пеноструктурой, многократно отражается от рабочей поверхности сушилки и поверхности продукта.
ТРХ и ОХ продуктов с различной концентрацией, а также распределения объемной плотности поглощенной энергии излучения w по глубине слоя (рис. 2) позволил выбрать рациональный вид и накал ИК-генераторов КГТ (КИ, КГ)-220-1000 при варьируемом напряжении в различных зонах сушки, и оптически тонкий слой, наиболее рациональный для высокоинтенсивной вакуумной сушки во вспененном состоянии, где требуется объемный равномерный прогрев продукта.
Для одностороннего облучения слоя на холодной подложке:
,
где 
, l – толщина слоя, м, Rп – интегральная отражательная способность подложки, Еp – плотность падающего потока, Вт/м2, x – глубина слоя.
 | Отражательная интегральная способность оптически полубесконечного слоя при с=0,42–0,9 кг/кг;  =1,5 мкм:  . Коэффициент эффективного ослабления:  |
| Рис. 2. Распределение объемного источника поглощенной энергии |
Теплофизические характеристики (ТФХ), к которым относятся коэффициенты теплопроводности, температуропроводности а и удельная теплоемкость Сm, определяют скорость протекания тепло-массообменных процессов при нагревании и охлаждении тел, и зависят от их температуры и давления в некотором интервале значений содержания сухих веществ, плотности, которая определяется пористостью материалов, или, в случае вспененного состояния системы, кратностью пенослоя. Отмечено, что для пористости слоя меньше 50%, теплофизические характеристики определяются в основном свойствами твердого скелета. Сведения по характеристикам растительных экстрактов практически отсутствуют или представлены для узких диапазонов влажностей, температур и т.д., поэтому их изучение, систематизация и обобщение представляют научный и практический интерес.
Для практического использования в численных расчетах температурных полей в процессе сушки, получены с использованием литературных данных зависимость удельной массовой теплоемкости Сm, кДж/(кг·К) по формуле аддитивности и коэффициента теплопроводности от концентрации с = 0,42 – 0,90 кг/кг и температуры T = 293 – 353 К (рис. 3,4):
;
.
Как известно, «чистые» жидкости не образуют устойчивую пену. Для пенообразования необходимо присутствие в растворе хотя бы одного компонента, обладающего поверхностно-активными свойствами, в частности, белковые компоненты. Пригодность конкретного продукта к пеносушке можно определить лишь в результате проведения экспериментальных исследований. Проводилось изучение пен, образуемых в вакууме за счет самоиспарения и дегазации растворов. Кратность пены определялась, как 
, где Vг и Vж – объемы газовой фазы и раствора, пошедшего на образование пены.
 |  |
| Рис. 3. Поле значений удельной массовой теплоемкости | Рис. 4. Поле значений коэффициента теплопроводности |
Текущая кратность пенослоя или слоя продукта при условии отсутствия усадки (V= const) и без учета предварительного вспенивания при пеносушке:
, где 
= 0,42 кг/кг - начальная концентрация экстракта корня солодки, м=1778 кг/м3 - истинная плотность вещества, в =1000 кг/м3 – плотность воды, 
- текущая концентрация, с =1340 кг/м3 – плотность при исходной концентрации, кг/м3.
Процесс пеносушки протекает практически без изменения объема пеноструктуры из-за высокой интенсивности, при постоянном объеме это приводит к снижению её плотности. Зависимость плотности, в кг/м3 ЭКС от концентрации с была получена по формуле аддитивности:
.
Кроме ТФХ существенное влияние на кинетику и динамику процесса сушки оказывают гигроскопические характеристики, лежащие в основе изучения статики процесса, которая является начальным этапом при исследовании и разработке различных способов обезвоживания.
В готовой продукции – густом и сухом ЭКС гигроскопические свойства зависят от способа сушки, выбору которого и уделено основное внимание в данной работе.
Для получения зависимости между равновесными влажностями продукта UР и влажного воздуха UР= f() использован статический тензометрический метод Ван Бамелена, согласно которому образцы материала с заранее определенной влажностью выдерживаются в эксикаторах над водным раствором серной кислоты или различных солей. Относительная ошибка при измерении активности воды Аw (аналог относительной влажности воздуха ) не превышала 5 %.
На рис. 5 приведены изотермы сорбции ЭКС при различных температурах.
В нашем случае наблюдалась большая сорбционная способность ЭКС, особенно в области высоких значений Аw.
Целесообразной для процесса хранения является влажность продукта, оговоренная в ГОСТ 22840-77 «Экстракт солодкового корня», соответствующая образованию «монослоя», (в нашем случае Up =0,07 – 0,1 кг/кг), где влага наиболее сильно связана с материалом и биологическая активность микроорганизмов незначительна.
Учитывая вид изотерм сорбции для математической обработки результатов экспериментов и их аппроксимации, уравнение зависимости активности воды от равновесной влажности получили в виде полинома третьей степени при величине достоверности аппроксимации R2=0,99 и при линейной аппроксимации зависимости (коэффициентов полиномов при разных температурах) от температуры, ввиду незначительного ее влияния в реальном температурном диапазоне при сушке (Т=293 – 353 К).
, где a, b, c, d, k, l, m, n - эмпирические коэффициенты.
Рис. 5. Изотермы сорбции ЭКС: 1 – Т = 283 К; 2 – Т = 303 К
Так как диапазон влажности, лимитирующий процесс сушки, а при сушке исследуемого продукта практически весь диапазон находится в гигроскопической области, то механизм массопереноса, при обезвоживании определяется формой и энергией связи влаги с материалом. Энергию связи влаги с материалом: 
можно принять потенциалом влагопереноса равным дифференциальному изменения свободной энергии Гиббса 
.
Тогда 
.
Продифференцировав уравнение Гиббса – Гельмгольца 
, где –S, E (соответственно изменения внутренней энергии (энтальпии) и энтропии) по Up при Р, T= const, получим уравнение 
, дифференцирование которого по Т дает выражение для дифференциального изменения энтропии связанной воды 
.
Таким образом: 
.
Выражение 
определяет дифференциальное изменение внутренней энергии (теплового эффекта) сорбции. На рис. 6 для ЭКС представлены соответственно зависимости 
.
В дифференциальное уравнение переноса тепла входит теплота испарения r. При удалении влаги, связанной с материалом, r представляется как сумма теплоты парообразования свободной воды r` и rсм теплоты смачивания, определяемой дифференциальным изменением свободной энергии изотермического обезвоживания. rсм численно равна работе отрыва одного моля воды от материала при T = const. Согласно справочным данным функция r` = f(T) является линейной в диапазоне Т =293 - 353 К (диапазон Т в процессе сушки ЭКС). Исходя из этого получена зависимость вида r`=-2286,66 Т + 3118,4581·103, где r`– теплота парообразования (Дж/кг).
 |  |
Рис. 6. Зависимость свободной  (1 – Т = 283 К; 2 – Т = 303 К) и связанной  (3 – Т = 283 К; 4 – Т = 303 К) энергии от влажности Up ЭКС при сорбции воды | Рис. 7. Зависимость термоградиентного коэффициента  от влажности Up ЭКС при сорбции воды: 1 – Т = 283 К; 2 – Т = 303 К |
Учитывая, что молярная масса воды равна 0,018 кг, тогда количество тепла для испарения 1 кг влаги с учетом энтропийной составляющей определится как: 
Для анализа движущих сил в процессе сорбции (десорбции) с целью выбора оптимальных режимов энергоподвода интересно рассчитать численные значения и получить функциональную зависимость от U и Т термоградиентного коэффициента массопереноса 
, который является термодинамической характеристикой, где 
= RT lnAw - разность химических потенциалов свободной и связанной воды.
После преобразования получим:
,где a1, a2, a3, a4, a5, a6, a7, a8, b1, b2, b3, b4; 
– эмпирические коэффициенты.
На рис. 7 представлены результаты вычислений 
. Общий поток влаги при малой влажности (адсорбционная влага) определяется, по- видимому, эффузией (кнудсеновским течением), осложненной уменьшением эквивалентных радиусов и разветвлением сети микрокапилляров и пеноячеек в процессе сушки, и как бы их закупоркой.
Резкое уменьшение энтропийной составляющей до первой точки перегиба (рис.6) свидетельствует о том, что вода при этом специфически ориентируется, образует водородные связи между собой и молекулами ЭКС. Между 1-ой и 2-ой сингулярными точками (2 участок) энтропийная составляющая слабо снижается, где сорбция и набухание клеток продукта определяется чисто энтропийным фактором. Большое значение энтропийного члена говорит о наличии внутриклеточной структурной (осмотической) влаги, ввиду осмоса и набухания, а так же заполнения влагой при микрофильтрации через полупроницаемые оболочки газовых пузырьков и капилляров. После влажности 0,12 кг/кг происходит рост скорости уменьшения энтропийной составляющей свободной энергии (по сравнению со вторым участком), которая приобретает существенное значение, что не характерно для большинства пищевых продуктов и говорит о «закупорке» капилляров, уменьшения их размеров и исчезновения ячеек и пор. Для интенсификации процесса сушки веществ, подобных ЭКС целесообразно диспергирование продукта (вспенивание, распыление, кипящий слой и т. д.), увеличение поверхности влагообмена.
В третьей главе «Механизм внутреннего тепломассопереноса на основе анализа экспериментальных кривых сушки» приведены расчеты кинетики и динамики сушки, при которых традиционно используются решения уравнений кривых сушки, определяются поля температуры и влагосодержания в объектах сушки и рассчитывается продолжительность процесса. В работах ряда исследователей произведен зональный расчет процесса сушки с использованием кинетических коэффициентов сушки, зависящих от режима сушки. Разбивка на зоны необходима не только потому, что меняются режимные параметры, но и в связи с тем, что влагокоэффициенты материала изменяются в зависимости от изменения его структуры, влажности и температуры. Для термолабильных материалов и пищевых продуктов фактором, лимитирующим продолжительность пребывания их в сушильной камере, является предельная (максимально допустимая) температура нагрева. Поэтому применяют цикличную сушку с осциллирующим режимом, при которой циклы нагрева чередуются с циклами «отлежки».
Получены уравнения кривых обезвоживания и скорости радиационно-кондуктивной сушки, на основе уравнений при дифференцировании уравнений кривых обезвоживания (к примеру рис. 8, 9). Положение сингулярных точек зависит только от тех факторов, которые тем или иным образом влияют на связь влаги с материалом, т.е. дисперсности, кратности пены. Кинетические коэффициенты довольно сложно зависят от вышеназванных режимных параметров, что говорит в пользу приближенного метода аппроксимации кривых скорости сушки. Причем значения концентрации в точках перегиба при мало изменяющейся начальной кратности и дисперсности пены, а также при условии постоянства объема пеноструктуры в процессе сушки, остаются в указанных пределах независимо от режимов сушки и определяются, по-видимому, энергией связи влаги с материалом. Полученные зависимости можно использовать при получении частных решений дифференциальных уравнений тепломассопереноса и определении времени сушки, соответствующего определенной концентрации, учитывая зону, в пределах которой она находится.
Известно, что уменьшение остаточного давления резко увеличивает интенсивность испарения за счет повышения коэффициента массообмена, который в первом приближении обратно пропорционален давлению, т.е. определяющим при вакуумной сушке «трудносохнущих» продуктов подобных ЭКС, является внутренний массоперенос.
Анализируя кривые скорости сушки, можно сделать выводы о механизме переноса влаги. По-видимому, испарение влаги происходит внутрь пузырьков, а перемещение влаги к поверхности через пленочный каркас происходит в виде пара, диффундирующего через утончающиеся в процессе обезвоживания пленки жидкости, что приводит к постепенному увеличению скорости диффузии. Диффузия пара происходит в виде последовательных процессов конденсации пара и испарения влаги на жидких пленках пены ЭКС с различной интенсивностью, в зависимости от глубины расположения поверхности испарения и конденсации. В области 2-ой точки перегиба происходит плавный переход пеноструктуры в капиллярно-пористое тело с высокой дисперсностью (пористостью) ввиду высыхания пленок и их растрескивания, в результате чего образуется сеть микрокапилляров, движение пара через которые осуществляется путем эффузии.
 |  |
| Рис. 8. Кривые сушки ЭКС | Рис. 9. Кривые скорости сушки ЭКС |
| l = 0,001 м; 1 – Ep = 0,91 кВт/м2; 2 – Ep = 1,52 кВт/м2 3 – Ep = 1,8 кВт/м2 | |
Так как в оптически тонком слое глубина проникновения ИК-излучения превышает толщину слоя, то комбинация ИК-энергоподвода в данном случае с кондуктивным, при учете явления интенсивного самоиспарения и дегазации вспениваемого раствора, имеющего тонкодисперсную пеноструктуру, приводит к практически равномерному объемному энергоподводу и испарению влаги внутрь пузырьков во всем объеме продукта. Пленочным движением влаги в виде жидкости, можно пренебречь по сравнению с паропереносом и коэффициент фазового превращения можно принять равным 1. Значения критических концентраций и скоростей сушки в точках перегиба обусловлены также начальным тепловым импульсом и тепломассообменной инерционностью системы. При комбинированной радиационной сушке, несмотря на крайне незначительные значения градиентов влагосодержания и температуры, плотность потока влаги имела большие значения, т.е. движущей силой является градиент избыточного давления пара, что, очевидно, определяется повышением температуры и давления внутренних слоев при объемном энергоподводе и снижения давления окружающей среды (вакуумная сушка).
На кривых скорости при вакуумной пеносушке наблюдается рост скорости при низкой влажности и периодические пики с участками постоянной скорости в течение всего процесса, что объясняется повышением интенсивности удаления осмотической влаги и пара внутри ячеек пены, клеток, вследствие либо резкого, либо периодического разрушения полупроницаемых оболочек клеток и пеноячеек (парниковый эффект) при повышении внутреннего давления и образовании молярных потоков пара, создания существенных градиентов общего давления, и, как следствие, резким снижением энергии связи влаги с материалом, т.к. осмотическая и структурная влага является по своим свойствам «свободной» влагой, удерживаемой механически стенками полупроницаемых оболочек и осмотическими силами, при разрушении которых и наблюдается рост и участок постоянной скорости сушки. Все это говорит в пользу осциллирующих режимов сушки продуктов растительного происхождения.
Уравнение зависимости скорости сушки: 
, где ai, bi – статистические эмпирические кинетические коэффициенты, i – номер зоны, границы варьирования факторов Еp=0,91 – 2,3 кВт/м2, толщина слоя l = 0,0005 – 0,002 м. При этом: концентрация границы первой зоны C1k = 0,662, второй зоны C2k = 0,759, третьей зоны C3k = 0,845, где:
,
, где m1–16, n1–16 – эмпирические коэффициенты.
Анализ литературных данных и ранее проведенных исследований показали, что при оптимизации сложных многофакторных технологических процессов, к которым относится сушка ЭКС, когда неизвестна аналитическая связь между применяемым критерием оптимизации и независимыми технологическими параметрами, наиболее эффективным является метод математического планирования эксперимента. Такой метод позволяет определить адекватную экспериментальным данным математическую зависимость, которую можно использовать на практике для расчета оптимальных параметров процесса сушки продуктов подобных ЭКС. Задача оптимизации процесса сушки сводится к определению значений режимных параметров, при которых реализуется экстремум выбранной нелинейной целевой функции. При этом на варьируемые факторы должны быть наложены ограничения, обусловленные областью их возможных значений.
Для отработки рациональных режимов сушки, проведены эксперименты по оценке влияния основных факторов на эффективность сушки на экспериментальной установке (рис. 10, а). Проведены исследования радиационно-кондуктивной на подложке сушки ЭКС в атмосфере и в вакууме. В качестве целевой функции выбран съем сухого продукта с единицы площади рабочей поверхности (объема камеры) в единицу времени Y, [кг/м2·ч]: 
где Gc – масса сухого продукта, кг (при w = 7 – 10%), c – время сушки, с; S – площадь пластины, м2, Gc и c – рассчитывались на основании кривых сушки.
Установлено, что к основным факторам влияющим на интенсивность процесса сушки относятся: исходная концентрация сухих веществ сн (кг/кг), толщина слоя l (м) (условная толщина слоя, м3/м2), остаточное давление в вакуумной камере P (Торр, Па), плотность теплового потока Ep (кВт/м2), длина волны max (мкм), соответствующая максимальной интенсивности излучения. Границы варьирования факторов выбраны, исходя из технологических ограничений и возможностей технического осуществления процесса сушки. Диапазоны варьируемых факторов: Еp=0,91 – 2,3 кВт/м2, Р=0 – 760 Торр l = (0,5 – 2)10-3 м, U=100 – 220 B.
Схема экспериментальной установки, позволяющая провести исследование тепломассообмена при выбранном варианте процесса сушки в вакууме представлена на рис. 10, б.
В результате статистической обработки экспериментальных данных были получены адекватные аппроксимирующие зависимости целевой функции от варьируемых факторов.
Компьютерная обработка информации и многомерный статистический анализ данных позволили получить адекватную математическую линейно-степенную зависимость. Оценка достоверности аппроксимации R2 зависимости критерия оптимизации от варьируемых параметров для всех зависимостей не менее 0,85.
При атмосферном давлении (рис. 11):
.
При вакуумной пеносушке (рис. 12):
,
 |  |
| а) общий вид | б) схема |
| Рис.10. Экспериментальная установка для изучения процесса вакуумной пеносушки: 1- смотровое окно; 2- крышка; 3- вакууметр; 4- подложка; 5- панель ИК-излучателей; 6- видеокамера; 7- фланец; 8- щит управления; 9- потенциометр;10- расходный бак исходного продукта; 11- насос для подачи продукта;12- обечайка; 13- устройство для нанесения слоя пены на подложку; 14- термопара; 15- весы; 16- вакуумный насос; 17- ПК | |
 |  |
| Рис. 11. Съем сухого ЭКС при вакууме: 1 – = 1,42 мкм, 2 - = 1,5 мкм. | Рис. 12. Съем сухого ЭКС при атмосферном давлении, длина волны = 1,5 мкм |
Целесообразно использовать при пеносушке в вакууме экстракта корня солодки следующие режимные параметры: P = 30 – 40 Торр; tнач = 25 – 30°С; l=1 мм (менее 2 мм); Ep=1,52 (менее 2,3) кВт/м2 при облучении лампами КГ-220-1000 при U = 120 В, (max = 1,5 мкм). Высушенный данным способом ЭКС представляет собой коричневый тонкодисперсный порошок. Съем сухого продукта может достигать Y =15 кг/м2 час, что значительно превышает лучшие мировые образцы способов сушки подобного рода продуктов.
В четвертой главе « Моделирование процесса вакуумной пеносушки экстракта корня солодки для расчета полей температур и осциллирующих режимов. Обобщенная зависимость скорости обезвоживания от влияющих факторов» получены осциллирующие режимы и критериальное уравнение кинетики сушки ЭКС, реализована феноменологическая математическая модель тепломассообмена вакуумной пеносушки ЭКС, так как для соблюдения технологических качественных показателей сухих лечебно-профилактических продуктов требуется соблюдение температурного режима сушки, т.е. необходимо знать величину и распределение температуры в слое в любой момент времени. Экспериментальное определение изменения температуры в слое при ИК-сушке в тонком слое невозможно, поэтому получено численное решение дифференциального уравнения теплопереноса, которое при одномерной задаче в случае объемного энергоподвода имеет вид:
, где 
– теплофизические параметры. Подставив в данное уравнение вместо дифференциального изменение средней по слою влажности при коэффициенте фазовых превращений 
= 1 (перенос влаги происходит в основном в виде пара) и изотропности слоя по влажности примем 
постоянными по глубине слоя x. Тогда после выноса 
за знак дифференциала, разделив уравнение на 
, получим: 
, где 
– коэффициент температуропроводности. Так как 
, разделив обе части уравнения на 
(далее знак среднего и варьируемые параметры опустим) получим: 
.
Начальные условия для данной задачи зададим, учитывая равномерное распределение температуры в начальный момент времени, соответствующий Wнач, в виде: при W = Wнач T=T0, т.е. T(x, Wнач)=T0. Т.к. отражателем является поверхность продукта на противоположных рабочих поверхностях, имеющего такую же Т, то лучистым теплообменом между поверхностями слоев можно пренебречь. При облучении высокотемпературными источниками теплообмен задается граничными условиями второго рода: 
. Внешний теплообмен осуществляется при свободной конвекции. В этом случае теплоотдача зависит от формы и размеров поверхности нагрева, температуры этой поверхности, температуры среды, коэффициента объемного расширения и других ее физических свойств. Соответственно обобщенное уравнение для коэффициента теплоотдачи 
выражается степенной функцией: 
. Значения коэффициента С и показателя степени п зависят от режима движения, определяемого температурой поверхности продукта, разностью температур между ней и средой, а также плотностью теплового потока. Тепловой поток с учетом отраженного от поверхности внутри слоя теплового потока для одностороннего облучения слоя на холодной подложке:
, где x – координата глубины слоя, м; l - толщина слоя, м; Rn- интегральная отражательная способность подложки (диска); Еp – плотность падающего потока, Вт/м2. Решением уравнения при краевых условиях является функция 
. Чтобы оба аргумента по которым ведется дифференцирование возрастали в процессе обезвоживания заменим влажность на концентрацию сухих веществ, тогда получим: 
.
 | Для численного решения дифференциального уравнения параболического типа в частных производных при разнородных граничных условиях удобен метод конечных разностей по неявной схеме, которая устойчива при любом соотношении шагов по x и c. В результате реализации математической модели процесса сушки получены поле температур по слою продукта в зависимости от концентрации, графическая аппроксимация которого приведена на рис. 13. Температура в течении сушки не превышает Т = 360 К, что обуславливает «мягкие» режимы сушки. |
| Рис. 13. Температурное поле при l= 0,001 м, Ep=1,52 кВт/м2 |
На базе аппроксимации кривых скорости сушки, как гибкого модуля обезвоживания рассчитаны осциллирующие режимы по оригинальной методике прогнозирования и получения рациональных режимных параметров процесса.
Так как реализация непрерывно варьируемых в процессе оптимальных условий сушки на современном технологическом уровне технически нереальна и экономически не оправдана, то целесообразна позонная дискретная оптимизация сушки по следующим этапам: используя уравнения кривых обезвоживания находим интеграл функции скорости сушки 
=F(с, варьируемые параметры) в диапазоне концентраций зоны, показывающий суммарную интегральную скорость в зоне; определяем целевую функцию – произведение суммарной интегральной скорости сушки 
на параметр, прямо влияющий на производительность процесса (для сушки в слое – толщину слоя); находим оптимальные значения параметров в каждой зоне, максимум искомой функции и уточненные границы зон в рациональном режиме (в частности, в среде Mathcad, используя опцию «maximize»); получаем аппроксимирующие уравнения скорости сушки по зонам в рациональном режиме (при оптимальных параметрах); определяем продолжительность сушки при максимальной целевой функции.
При реализации предложенной методики для ЭКС при максимальной длине волны 1,5 мкм общая продолжительность сушки составила = 85 с, а Y составила 25 кг/(м2·ч). Кроме того, применение осциллирующих режимов приводит к отсутствию подгорания и хорошей восстанавливаемости.
Процессы сушки очень сложны, для математического описания. Корректное эмпирическое исследование процессов возможно при наличии теории постановки опытов и обработки их результатов. Такой теорией является теория подобия. При изучении сложных тепло-массообменных процессов, не удается корректно составить и решить систему дифференциальных уравнений, описывающих процесс. В таком случае для отыскания конкретного вида функциональной зависимости целевой функции от влияющих факторов, т.е. для нахождения расчетного уравнения, может быть применен метод анализа размерностей. В процессе исследования выявлено, что скорость процесса сушки 
,с-1, зависит от плотности теплового потока Ep, Вт/м2 или в основных единицах измерения СИ – кг·с-3, зависящей от истиной плотности продукта, кг/м3 и кратности пены, м3/м3, плотности пенопродукта /, начальной концентрации сн, кг/кг, условной толщины слоя h, м, длины волны излучения, м, давления окружающей среды (давление в камере) P, Па, текущей концентрации c, кг/кг. Зависимость 
от влияющих факторов традиционно можно представить в степенном виде: 
, где а, x, y, z, k, l, m, n – безразмерные эмпирические коэффициенты. Подставив вместо величин их основные единицы измерения и приравнивая показатели степеней при одинаковых символах размерностей получаем систему уравнений, решая которую после группирования величин по показателям степеней получим критериальное уравнение в общем виде:
или 
, которое для удобства математической обработки переведем в линейный вид прологарифмировав его: 
.
Статистическая обработка экспериментальных данных по изучению влияния основных факторов на изменение скорости сушки с учетом зависимости и от c позволила получить эмпирические коэффициенты критериального уравнения кинетики обезвоживания: а = 7,387·10-6, x = 10,66989, y = -2,23, m = 11,089.
Используя критериальные уравнение можно получить зависимости скорости (кривые) сушки от текущей концентрации (влажности) при различных значениях варьируемых факторов в технологических границах обуславливающих протекание процесса и получения качественного продукта.
В пятой главе «Рациональное конструирование аппарата на основе выбора рациональных тепломассообменных параметров процесса пеносушки экстракта корня солодки» на основе проведенного литературного анализа, выполненных экспериментов, выбранного метода вакуумной радиационной пеносушки и разработанных рациональных осциллирующих режимных параметров предложена модернизация конструкции промышленной сушильной установки. Одним из «узких мест» известной («Вакуумная пеносушилка», патент РФ №2112184) вертикально- дисковой вакуумной сушильной установки является устройство напыления вспененного продукта на рабочую поверхность, которое не позволяет осуществить равномерное нанесение и регулировку толщины слоя, при спонтанном самоиспарении продукта в вакууме. Предложено устройство нанесения пенослоя на поверхности дисков в виде ванны, в которую погружаются диски, а требуемая толщина слоя пены обеспечивается калибрующей щелью между ножами-съемниками и поверхностью диска. Излишки пены стекают в ванну. Вспененный продукт подается к каждой рабочей поверхности диска по индивидуальной трубке.
Предложенное конструкторское решение не только обеспечивает надежную контролируемую работу сушильной установки, но и значительно упрощает конструкцию, ее обслуживание и ремонт. Разработана конструкторская документация опытного образца радиационной многодисковой вакуумной сушилки.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Определенные в работе пути совершенствования тепломассообмена позволяют обоснованно выбирать рациональные способ сушки и конструкции установки с учетом энергозатрат, экологической безопасности и требований к качеству продуктов.
2. Полученные уравнения зависимости теплофизических, гигроскопических, оптических и пеноструктурных характеристик ЭКС можно использовать в качестве справочных данных при проектировании тепломассообменных аппаратов и управлять процессами вакуумной сушки при объемном энергоподводе.
3. Рассчитанное распределение поглощенной энергии в тонком слое продукта на основе оптических свойств дает возможность реализовать феноменологическую математическую модель процесса вакуумной пеносушки при ИК-энергоподводе.
4. Анализ механизма внутреннего тепломассопереноса и влияния основных факторов на интенсивность влагоудаления позволили определить рациональные режимные параметры сушки ЭКС во вспененном состоянии (P = 30 – 40 Торр; tнач = 25 – 30°С; l=1 мм; Ep=1,52 кВт/м2 при облучении лампами КГ-220-1000 при U = 120 В (max = 1,5 мкм), а также получить осциллирующие рациональные режимы, при которых съем сухого продукта может достигать 25 кг/м2·ч и критериальное уравнение скорости сушки ЭКС на основе позонной аппроксимации кинетических кривых обезвоживания и предложить конструкторские решения сушилок для ЭКС.
5. Расчет температурных полей путем реализации модели тепломассообмена при вакуумной пеносушке ЭКС и ее программного обеспечения позволяет контролировать температурные режимы обезвоживания.
6. Разработанные и обоснованные рациональные схемы и режимные параметры процессов вспенивания и инфракрасной сушки ЭКС при комбинации с кондуктивным энергоподводом позволяют сократить время влагоудаления при «бережных» режимах сушки для обеспечения необходимых качественных показателей лечебно-профилактического сухого ЭКС.
7. Анализ результатов работы на ЗАО «Астраханский пектин», ООО «Биотехсинтез» и ООО НПП «Вулкан» подтвердили актуальность работы и экономическую целесообразность внедрения ее результатов.
Результаты работы и данные рекомендации могут быть использованы при создании, совершенствовании и интенсификации прогрессивных технологических процессов и высокоэффективных промышленных установок для пищевой, фармацевтической и смежных с ними отраслей промышленности.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Хайбулов Р.А. Исследование гидродинамических характеристик контактного устройства массообменного аппарата с направленным вводом газа // Вестник АГТУ. 2004. № 1 (20). С. 231-239. По списку ВАК.
2. Хайбулов Р.А., Голубятникова М.В. Анализ механизма тепломассопереноса при оптимизации процесса сушки экстракта корня солодки // Вестник АГТУ. 2005. № 2 (25). С. 278 – 283. По списку ВАК.
3. Алексанян И.Ю., Синяк С.В., Хайбулов Р.А. Механизм тепломассопереноса и кинетика сушки гранулированных кормовых продуктов // Вестник АГТУ. 2006. № 2 (31). С. 138-144. По списку ВАК.
4. Алексанян И.Ю., Хайбулов Р.А. Влияние направленного ввода газа на гидродинамические характеристики массообменного аппарата // Вестник Атыраусского института нефти и газа. 2004. № 5. С. 89-94.
5. Хайбулов Р.А., Мельников М.Н., Ревина А.В. Исследование теплофизических характеристик растительных продуктов и их экстрактов для разработки способа сушки в нативном и вспененном состоянии / Материалы IV Международной конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем». Вологда: ВолГТУ, 2004. С. 113-116.
6. Алексанян И.Ю., Синяк С.В., Хайбулов Р.А. Методика и программное обеспечение для прогнозирования и получения осциллирующих рациональных режимов сушки растительных продуктов и их экстрактов во вспененном и псевдоожиженном состоянии / Там же. С. 335-337.
7. Максименко Ю.А., Алексанян И.Ю., Хайбулов Р.А. Анализ основных термодинамических закономерностей взаимодействия с водой и теплофизических характеристик растительных экстрактов и продуктов микробиологического синтеза / Материалы Международной конференции «Современные проблемы производства продуктов питания». Барнаул: АлтГТУ, 2004. С. 119-125.
8. Хайбулов Р.А., Синяк С.В. Оптимизация процесса сушки экстракта корня солодки / Материалы II Международной научно – технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности». Ч.2. Воронеж: ВГТА, 2004. С. 364-365.
9. Максименко Ю.А., Хайбулов Р.А., Азизова Г.У. Термодинамика внутреннего массопереноса при взаимодействии продуктов микробиологического синтеза с водой / Материалы II Всероссийской научно - технической конференции – выставки с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации». Москва: МГУ пищевых производств, 2004. С. 71-76.
10. Хайбулов Р.А., Мельников М.Н. Исследование свойств растительных экстрактов, в частности, корня солодки, как объектов сушки / Там же. С. 81-86.
11. Максименко Ю.А., Синяк С.В., Хайбулов Р.А. Механизм внутреннего тепломассопереноса на основе экспериментально-аналитического изучения аномальной кинетики обезвоживания для продуктов животного и растительного происхождения / Труды Второй Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы)». Москва: МЭИ, 2005. Т. 1. С. 301-303.
12. Максименко Ю.А., Синяк С.В., Хайбулов Р.А. Механизм и аномальные термодинамические особенности статического взаимодействия пищевых продуктов с водой / Труды Второй Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы)». Москва: МЭИ, 2005. Т. 2. С. 110-113.
13. Алексанян И.Ю., Хайбулов Р.А. Совершенствование технологии сухих растительных экстрактов на основе корня солодки / Материалы Московской международной конференции «Биотехнология и медицина». Москва: ЗАО «Экспо-биохим-технология», РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2006. С. 288-289.
Типография ФГОУ ВПО АГТУ
414025 г. Астрахань, ул. Татищева, 16.
Тираж 100 экземпляров. Заказ № 857.
Подписано в печать 13.11.2006.
