Расчет энергосберегающего процесса сушки кубиков клубней топинамбура в слое

Введение. Имеется необходимость теоретического анализа процесса сушки нарезанных кубиков клубней топинамбура, чтобы выработать обоснованные практические рекомендации по оптимизации режимных параметров работы сушильных установок, в частности конвеерных.

Имеющиеся расчеты времени сушки влажных частиц относятся к несколько иным (более жестким) режимам сушки. Так, в работе [1] тепло- и массообмен высокотемпературного газа с торфом рассматриваются в периоде постоянной скорости сушки, что не позволяет ее использовать для описания процесса сушки нарезанных клубней топинамбура, в котором продолжительность первого периода намного меньше периода падающей скорости сушки. Модель, рассматриваемая в [2], содержит такие параметры, как коэффициент массообмена и критическая влажность частицы, соответствующие началу периода падающей скорости сушки. Численные значения этих параметров неизвестны и методы их определения не указаны.

Исследования проведены с целью определения длительности процесса и режимной скорости агента сушки.

Методика исследований и расчет времени сушки. В связи с недостаточной информацией о специфике процессов тепло- и массообмена при сушке влажных относительно крупных частиц проведены специальные опыты в условиях, близких к реальному процессу. Сушили два вида образцов нарезанных клубней топинамбура: плоских размерами 40x3 и в виде кубиков 6x6x6 мм (в слое высотой около 100 мм). В опытах регистрировали температуру образцов и агента сушки, их влажность в разные периоды времени (весовым методом).

Экспериментальные кривые сушки (зависимости средней влажности частиц от времени) носят монотонный характер как для плоских, так и объемных образцов, т.е.

кинетика сушки определяется в основном внешними условиями нагрева.

На кривых сушки имеется линейный участок, свидетельствующий о протекании процесса как в периоде постоянной, так и падающей скорости сушки. Уменьшение скорости сушки с течением времени связано с обезвоживанием поверхностных слоев и углублением фронта испарения. Кинетика влажностного и температурного полей позволяет сделать вывод о том, что с течением времени внутри материала образуются две зоны: «сухая», влагосодержание которой близко к нулю, и «мокрая», влагосодержание которой мало отличается от начального. Граница раздела зон постепенно перемещается в глубь образцов.

При сушке от исходного (7^0,5 до конечного влагосодержания С'к-0.09 кг вл./кг сух. мат. основная доля тепла, передаваемого от теплоносителя к частице, расходуется на теплоту испарения.

Расчет длительности сушки выполнен в два этапа. На первом сформирована приближенная модель тепло- и влагопереноса для отдельной частицы, на основе которой получено уравнение кинетики ее сушки. Проведя параметрическую идентификацию модели и проверив ее применимость, можно сделать предварительные выводы о путях энергосбережения в процессе сушки.

На втором этапе рассмотрена кинетика сушки совокупности частиц с учетом изменяющихся параметров теплоносителя, после чего сформулированы рекомендации по выбору оптимального режима работы сушильной установки.

На элемент клубня топинамбура действует поток агента сушки, фронт сушки от поверхности распространяется в глубь, образуя сухую зону, через которую фильтруются жидкая, а затем газовая фазы. Процесс сушки рассматривается как внутренняя задача тепломассопереноса.

Поток теплоты в элементе клубня топинамбура можно записать в виде:

ГЛМ

q = ----—, Вт/м\ (1)

d

где Г - коэффициент формы;

Я - коэффициент теплопроводности, Вт/м °C;

ДТ - перепад температур, t, 0ср - температура агента сушки и средняя материала, °C;

d - определяющий размер, например, сторона кубика, м.

Величину q можно также записать в виде:

G^Ur 2

Ч = —--- , Вт/м ,         (²)

где G - масса элемента, кг;

Л17 - влагосъем, кг вл./кг сух. мат.;

г - удельная теплота испарения влаги, кДж/кг;

Л - теплообменная поверхность, м2;

г0 - длительность сушки, ч;

1] - теплота на испарение влаги.

Приравнивая правые части выражений (1) и (2) и принимая во внимание, что

Ь отношение —

G удельная

поверхность

элемента / (м2/кг), получим

MJre

Переходя к реальному слою высотой Һ , определим для него время сушки, т:

т = Ат0-d

где А - экспериментальный коэффициент (0,80-0,85).

Уравнение (3) расчета времени сушки частиц клубня топинамбура содержит ряд параметров:

т = . Rl, Ө^Х, г, lU^dy

Удельная теплота фазового превращения воды г является физической константой; начальное UH, конечное UK вла-госодержание и удельная поверхность f определяются свойствами и состоянием материала; температура теплоносителя г, коэффициент теплопроводности Я и размер частиц d являются режимными параметрами процесса сушки. Коэффициент теплопроводности Я формально можно было бы отнести к группе величин, характеризующих свойства и влажность клубней топинамбура. Это справедливо, если бы перенос тепла в «сухой» зоне осуществлялся чисто кондуктивным путем. На самом деле при интенсивном испарении влаги имеют место диффузионный и фильтрационный переносы пара, а также изменяется структура материала. Величину Я можно считать эффективным коэффициентом теплопроводности, учитывающим весь комплекс явлений. Он кроме того является параметром, аппроксимирующим реальный процесс. Таким образом, идентификация расчета сводится к экспериментальному определению значения (или значений) коэффициента 2.

Направления интенсификации процесса сушки. Как отмечено выше, режимными параметрами, изменением которых можно влиять на ход процесса, являются температура агента сушки, коэффициент теплоотдачи и размер частиц. При прочих равных условиях увеличение температуры приводит к интенсификации процесса сушки, однако эту величину можно изменять лишь в ограниченных пределах. Параметры, которыми сравнительно просто можно управлять, - это коэффициент теплоотдачи и размер частиц. Время сушки сокращается с увеличением коэффициента теплоотдачи. Большинство мероприятий в инженерной практике направлено на интенсификацию процесса именно путем увеличения а - за счет увеличения относительной скорости потока газа, обтекающего частицы, создание тангенциальных потоков, завихрений и т.д., а также путем измельчения частиц материала. Влияние d и а на продолжительность процесса проанализировано расчетом при Я = 0,1 Вт/(м-К). Значения остальных параметров принимали близкими к реальным: ус = 400 кг/м3; Wo = 1,0 кгв/кгс; 1К =0,10 кгв/кгс; Тс = 60 °C. Результаты расчетов свидетельствуют о том, что время сушки существенно зависит от размеров частиц и в меньшей степени от коэффициента теплоотдачи. Так, если уменьшить размер частицы d = 3 мм в два раза при а = 300 Вт/(м2К), то ее высушивание до конечной влажности закончится в два раза быстрее. Увеличение же коэффициента теплоотдачи более чем в два раза сокращает время сушки примерно на 20%.

Результаты и обсуждение. Резуль таты опытов и соответствующих расчетов показывают, что наилучшее согласование экспериментальных и расчетных данных по кинетике сушки образцов достигнуто при разбивке кривой сушки на три зоны с критическими значениями влагосодержа-ния U = 1,15 и 0^ = 0,3 кг вл./кг сух. мат., отличающимися как конфигурацией, так и эффективным значением Л^, причем

А!ф1- 0,25; = 0,17 и А1фГ0,06 Вт/м-°С [3].

Активный гидродинамический режим существенно интенсифицирует процесс сушки и обеспечивает высокое качество продукта с требуемой влажностью.

Скорость агента сушки, соответствующая активному гидродинамическому режиму, определятся величиной коэффици ента теплоотдачи на каждом этапе сушки, которую можно оценить из равенства [4]:

a^Tfq - const,            (5)

где ос - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2 °C.

Величины т, М\ f, q для каждого этапа сушки клубней топинамбура могут быть определены из предыдущих зависимостей расчетным путем или приняты как средние величины.

Значение а для первого этапа (зоны) сушки, при котором удаляется свободная влага, определено из выражения

Ш.г ах <-----—,

тЛ'Уп

где IL -текущий влагосъем, кг вл./кг сух.мат.

Значение а; для следующих этапов определяется из (5).

Зная величину а^ можно определить скорость агента сушки, например из

Nu -0,075Re, где Nu, Re - числа Нуссельта и Рейнольдса.

Выводы. Длительность сушки частиц топинамбура в монослое высотой /?₀ (1-2 частицы) размером 6х6><6 мм занимает г₀~2,3 ч. Длительность сушки слоя высо- Һ той И составляет г «0,8- г, —.

Кривую сушки можно разбить на три этапа, разграниченные критическими влагосодержаниями 6/ = 1,15 кг/кг и (7 = ^^ кг/кг; значения температуры агента сушки на всех этапах 60 °C. Оптимальная скорость агента сушки, обеспечивающая энергосбережение на первом этапе, Қ = 0,65, на втором и третьем - 0,40 и 0,25 м/с. В сумме это составит 20-25% экономии энергии.

Для реализации предложенных режимов сушки рекомендуется использовать ленточную или конвейерную трехъярусные сушилки с различной скоростью агента сушки по ярусам.