Выбор рациональных параметров процесса сушки свекловичного жома в импульсном виброкипящем слое пониженного давления

Свекловичный жом – основной побочный продукт сахарной промышленности, получаемый при традиционной технологии производства. Жом используют на корм скоту в свежем, кислом и сухом виде. По питательности и содержанию сухого вещества высушенный жом превосходит луговое сено и только немногим уступает овсу. Ведь практически все питательные вещества свеклы, кроме сахара, остаются в жоме. Однако при длительном хранении в сыром жоме накапливается большое количество масляной кислоты. Он приобретает мягкую консистенцию и животные отказываются его поедать. Во избежание этого жом необходимо консервировать. Одним из наиболее распространенных способов является сушка [1].

Целью работы является изучение влияния режимных параметров на интенсивность протекания процесса сушки свекловичного жома перегретым паром пониженного давления в импульсном виброкипящем слое и определение наиболее рациональных параметров.

Материалы и методы

Предлагаемый способ сушки высоковлажных дисперсных материалов и установка для его осуществления позволяют повысить качество готового продукта за счет снижения температуры сушильного агента, тем самым сохранив значительное количество питательных веществ в исходном продукте. Применение виброкипящего слоя улучшает перемешивание материала и тем самым в несколько раз повышает величину коэффициентов тепло- и массо-обмена, а также снижает энергозатраты [2–4].

Для изучения кинетических и гидродинамических зависимостей процесса сушки свекловичного жома разработана экспериментальная установка, позволяющая получать максимально точные и воспроизводимые результаты.

Исходными положениями при проектировании и изготовлении установки является надежная герметизация, возможность опера-тивногоконтроляи регулирования технологических параметров в широком диапазоне, надежность и безопасность в работе [5, 6].

На рисунке 1 представлена схема разработанной установки, спроектированной методом 3D моделирования.

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки

Figure1. The scheme of the experimental setup

Позиции на чертеже: 1 – вентилятор среднего давления; 2 – парогенератор; 3 – сушильная камера; 4 – газораспределительная решетка; 5 – камерная диафрагма; 6 – шток;

• 7 – устройство для загрузки материала; 8 – рециркуляционный трубопровод; 9 – вакуумметр; 10 – конденсатор; 11 – сборник конденсата; 12 – ресивер;13 – водокольцевой вакуум-насос; 14 – щит управления; 15 – измеритель-регулятор температуры; 16 – хромель-капелевые термопары; 17 – манометры типа; 18 – окно разгрузки; 19 – заслонка

Кинетические закономерности процессасушки свекловичного жома перегретым паром в импульсном виброкипящем слое

Исследования по кинетике сушки проводятся в периодическом режиме на экспериментальной сушильной установке (рисунок 1) . При этом влажность продукта определяется методом отбора проб. Для этого изготовлено специальное устройство, которое позволяет отбирать пробы без разгерметизации установки. Причем отбор проб производится по длине и высоте рабочей камеры с целью определения равномерности сушки продукта. Окончательную влажность жома определяем высушиванием продукта в сушильном шкафу при температуре 378 К согласно методике, предусмотренной ТУ ОСТ 18-22-81 «Жом сушеный».

Параметры процесса сушки в каждом опыте поддерживаются постоянными в интервале значений: температура перегретого пара на входе в рабочую камеру Т п = 393–453 K, давление в камере Р п = 40–100 КПа, скорость пара в рабочей камере υ п = 3–5 м/с. Амплитуда и частота колебаний газораспределительной решетки остаются неизменными и составляют соответственно а = 7 мм и f = 12,5 Гц, частота пульсаций колебаний решетки изменяется от f п = 0,0083 Гц (одна пульсация в две минуты) до f п = 0,04 Гц

(одна пульсация в 25 секунд), начальная удельная нагрузка жома на решетку q = 8..24 кг/м2, начальная влажность жомаW с = 216% по отно шению к сухим веществам.

Угол наклона решетки а во всех опытах составляет 0 ° , а угол направления вибрации в равен 90 ° и тоже остается неизменным.

Кривые сушки, скорости сушки и кривые нагрева свекловичного жома в импульсном виброкипящем слое при различных режимных параметрах процесса представлены на рисунках 2 –5.

(a)

(b)

Рисунок 2. (a) Кривые сушки W ^с =f(τ) (1–4) и скорости сушки dW ^с/ dτ = f ( W ^с) (1–4) свекловичного жома при различных температурах перегретого пара;(b)Кривые нагрева T м = f ( τ ) свекловичного жома при различных температурах перегретого пара, K.

Figure 2. (a) Drying curves W^c = f(τ) (1–4) and drying rate dW^c /dτ = f (W^c) (1–4) of beet pulp at various temperatures of superheated steam;(b) Heating curves T m = f(τ) of beet pulp at different temperatures of superheated stem, K.

Рисунок 3. Кривые сушки W ^с =f(τ) (1–4) и скорости сушки dW ^с/ dτ = f ( W ^с) (1–4) жома при различном давлении внутри сушильной камеры, Па 1 – 100кПа, 2 – 80кПа, 3 – 60кПа, 4 – 40кПа

Figure 3. The drying curves are W^с = f (τ) (1–4) and the drying rate dW с /dτ = f (W с ) (1–4) pulp at different pressures inside the drying chamber,Pa 1–100 kРа, 2– 80 kРа, 3–60 kРа, 4–40 kРа

c

W

30   60   90   120  150  %   210

Рисунок 4. Кривые сушки W ^с =f(τ) (1–3) и скорости сушки dW ^с/ dτ = f ( W ^с) (1–3) жома при различной удельной нагрузке, кг/м²

Figure 4. The drying curves W^с = f (τ) (1–3) and the drying rate dW с /dτ = f (W с ) (1–3) of pulp at different specific loads, kg / m²

Рисунок 5. Кривые сушки W ^с =f(τ) (1–3) и скорости сушки dW ^с/ dτ = f ( W ^с) (1–3) жома при различной скорости перегретого пара, м/с

Figure5. The drying curves are W^с =f(τ) (1–3) and the drying rate dW с / dτ = f(W с ) (1–3) of pulp at different superheated steam velocity, m / s

Характер изменения кривых соответствует периодам постоянной и убывающей скорости сушки. Причем конденсации перегретого пара на поверхности частиц не наблюдается. Это можно объяснить высокими коэффициентами тепло-массообмена и высокой начальной влажностью жома, вследствие которой уже в самый начальный момент процесса происходит испарение влаги с поверхности частиц [7].

Увеличение температуры перегретого пара от 120 до 180 ºС при разряжении 60 кПа способствует возрастанию скорости сушки в первом периоде на 50%. При этом температура продукта в этом периоде практически одинакова. Большее влияние на температуру продукта, как и ожидалось, оказывает разряжение в сушильной камере. Так снижение давления от 100 кПа до 40 кПа позволяет снизить температуру продукта в первом периоде с 97 до 75 ºС, а конечная температура продукта не превышает 70–75 ºС, что несомненно положительно сказывается на качестве готовогопродукта. При этом необходимо отметить, что время высушивания в данном опыте незначительно изменяется. Это объясняется изменением гидродинамической обстановки в камере при увеличении разряжения перегретого пара.

Увеличение скорости движение перегретого пара также ускоряет процесс высушивания, что обусловлено увеличением виброкипящего слоя и, следовательно, удаление влаги с поверхности материала проходит наиболее ин-

При увеличении удельной нагрузки материала на поверхность газораспределительной решетки повышается сопротивление материала, что замедляет процесс сушки.

Таким образом можно сделать вывод, что данный способ энергоподвода позволяет сохранить достоинства сушки перегретым паром (высокие коэффициенты тепло – массооб-мена, отсутствие кислорода) и при этом снизить температуру материала для повышения качества готового продукта.

Обоснование выбора и пределов изменения входных факторов.

Для исследования взаимодействия различных факторов, влияющих на процесс сушки свекловичного жома перегретым паром пониженного давления, применяются математические методы планирования эксперимента [3]. Математическое описание данного процесса может быть получено эмпирически. При этом его математическая модель имеет вид уравнения регрессии, найденного статистическими методами на основе экспериментов. Математическая модель изучаемого процесса представлена в виде полинома второй степени

Y = b + V" bx +yn bx2Уn bxx- (1) 0 Z=H=1 i i ^j=1 ii i Z-^i

Выбираем следующие основные факторы, влияющие на процесс сушки свекловичного жома: Х1 – температура перегретого пара на входе в рабочую камеру, К;Х2 – давление перегретого пара в рабочей камере, кПа;Х3 – скорость перегретого пара в рабочей камере, м/с;Х4 – удельная нагрузка свекловичного жома на газораспределительную решетку, кг/м³.

Все эти факторы не коррелируемы между собой. Пределы изменения исследуемых факторов приведены в таблице 1

тенсивно.

Таблица 1.

Пределы изменения входных факторов

Table1.

Limits of change in input factors

Условия планирования | Planning conditions	Кодированное значение Coded value	Значения факторов в точках плана | Values of factors in the points of the plan
		Х1	Х2	Х3	Х4
		tп, К ts, К	Рп, кПа Рs, kРа	Vп,м/с Vs, m/s	qуд,кг/м2 q,kg/m2
Основной уровень | Basic level	0	423	70	4	16
Интервал варьирования | Variation interval	Δ	15	15	0.5	4
Верхний уровень | Top level	+1	438	80	4.5	20
Нижний уровень | Lowerlevel	-1	408	60	3.5	12
Верхняя «звездная» точка | The top “star” point	+2	453	40	5	24
Нижняя «звездная» точка | The lower “star” point	-2	393	100	3	8

Выбор интервалов изменения входных факторов обусловлен технологическими условиями процесса сушки свекловичного жома в активных гидродинамических режимах, возможностью уноса частиц материала из сушильной камеры, а также технико-экономическими показателями процесса.

Критериями оценки влияния входных факторов на процесс сушки свекловичного жома являются: Y1 – удельные энергозатраты процесса сушки, отнесенные на 1 кг испаренной влаги, (кВт×ч) /кг; Y2 – влагонапряжение сушильной камеры, кг/(м³∙с).

Выбор критериев оценки Y обусловлен их наибольшей значимостью для процесса сушки свекловичного жома. Так, Y1 определяет энергоемкость процесса и является важным показателем в оценкеего энергетической

Y = 2.55 + 0.25X_x - 0.056X₂ + 0.064X₃

- 0.16X₄ + 0.099X2 + 0.0125X2 - 0.05X2 + 0.184X2 + 0.025XX₂-0.05XX - 0.094XX - 0.0076XX + 0.033XX - 0.1XX

эффективности, Y2 определяет производительность процесса сушки и напрямую связан с его скоростью.

Для исследования применяем центральное композиционное ротатабельное униформпланирование и полный факторный эксперимент ПФЭ 24. Число опытов в матрице планирования для четырех входных параметров равно 32. Порядок опытов рандомизировали посредством таблицы случайных чисел, что исключает влияние неконтролируемых параметров на результаты эксперимента. При их обработке применяем следующие статистические критерии: Кохрена, Стьюдента, Фишера. В результате получаем нелинейные уравнения регрессии, описывающие данный процесс:

Y₂= 1.536 + 0.34X - 0.04X₂ + 0.176X₃ - 0.24X₄ + 0.1457X2 + 0.07X2 - 0.07X2 + 0.01X2 + 0.047XX₂-0.05XX - 0.12XX - 0.0033X₂X₃ + 0.0008XX - 0.06X₃X₄

В результате выполнения тридцати двух опытов получена информация о влиянии факторов и построена математическая модель процесса, позволяющая рассчитать удельные энергозатраты и влагонапряжение объема сушильной камеры внутри выбранных интервалов варьирования входных факторов.

На рисунках 6-–10 показаны кривые равных значений выходных параметров, которые несут смысл номограмм и представляют практический интерес.

V,м/с х3

х,3

Область исследования

4,5

3,5

2,5

-2

-3

T, К

348363378393 408423 438 453 468

Рисунок 6. Кривые равных значений удельных энергозатрат от температуры перегретого пара на входе в камеру tп (К) и скорости перегретого пара в рабочей камере, (м/c): 1 – 2,35; 2 – 2,5; 3 – 2,65;4 – 2,8; 5 – 2,95; 6 – 3,1; 7 – 3,25; 8 – 3,405; 9 – 3,56.

х1

Область сследования q, кг/м2

378     393     408    423     438     453     468

Рисунок 8. Кривые равных значений удельных энергозатрат от температуры перегретого пара на входе в рабочую камеру tп (К) и удельной нагрузки свекловичного жома на газораспределительную решетку, (кг/м²): 1 – 2,35; 2 – 2,5; 3 – 2,65; 4 – 2,8;5 – 2,95; 6 – 3,1; 7 – 3,25; 8 – 3,405; 9 – 3,56.

Figure 6. Curves of equal values of specific energy consumption from the temperature of superheated steam at the inlet to the chamber tр (K) and the superheated steam velocity in the working chamber, (m / s):1 – 2.35; 2 – 2.5; 3 – 2.65; 4 – 2.8; 5 – 2.95; 6 – 3.1; 7–3.25; 8–3.405; 9 – 3.56.

Figure 8. Curves of equal values of specific energy consumption from the temperature of superheated steam at the inlet to the working chamber tn (K) and the specific load of beet pulp on the gas distribution grid, (kg / m²): 1 – 2.35; 2 – 2.5; 3 – 2.65; 4 – 2.8; 5 – 2.95;6 – 3.1; 7– 3.25; 8–3.405; 9 – 3.56.

P,кПа

Рисунок 7. Кривые равных значений влагонапряжения от температуры перегретого пара на входе в рабочую камеру tп (К) и давления перегретого пара (кПа): 1 – 0,988; 2 – 1,257; 3 – 1,526; 4 – 1,795;5 – 2,064; 6 – 2,333; 7 – 2,602; 8 – 2,871; 9 – 3,14.

Рисунок 9. Кривые равных значений влагонапряжения от температуры перегретого пара на входе в камеру tп (К) и скорости перегретого пара в рабочей камере, (м/c): 1 – 0,988; 2 – 1,257; 3 – 1,526;4 – 1,795; 5 – 2,064; 6 – 2,333; 7 – 2,602; 8 – 2,871;9 – 3,14.

Figure 7. Curves of equal values of moisture stress from the temperature of superheated steam at the inlet to the working chamber ts (K) and the superheated vapor pressure (kРа): 1 – 0.988; 2 – 1.257; 3 – 1.526;4 – 1,795; 5 – 2.064; 6 – 2.333; 7 – 2.602; 8 – 2.871;9 – 3.14.

Figure 9. Curves of equal values of the moisture stress from the temperature of superheated steam at the inlet to the chamber ts (K) and the superheated steam velocity in the working chamber, (m / s): 1 – 0.988; 2 – 1.257; 3 – 1.526; 4 – 1,795; 5 – 2.064; 6 – 2.333; 7 – 2.602;8 – 2.871; 9 – 3.14.

Рисунок 10. Номограмма для определения энергоёмкости процесса (Y1) и влагонапряжения процесса сушки (Y2) в зависимости от температуры и скорости перегретого пара

Figure 10. A nomogram for determining the energy intensity of the process (Y1) and the moisture stress of the drying process (Y2) as a function of temperature and superheated steam velocity

Определение оптимальных интервалов варьирования входных факторовЗадача оптимизации сформулирована следующим образом: найти такие режимы работы сушилки, которые бы в широком диапазоне изменения входных параметров процесса сушки доставляли минимум влагонапряжения сушильной камеры. На рисунках 11 и 12 представлены зависимости удельных энергозатрат и влагонапряжения от входных параметров удельных энергозатрат и максимум Общая математическая постановка задачи оптимизации представлена в виде следующей модели:

• q = q OY  ^—d > opt;

• D: Y (X_Y, X₂, X, X₄ )  — > ^min;

^x= D              (4)

• Y₂₁(X_pX2,X3,X₄) —d^d^max;      ⁽)

Y > 0, i = 1,2"X_V< [-2; 2], j = 1,4

Рисунок 11. Зависимость удельных энергозатрат сушильной камеры от входных параметров

Figure 11. Dependence of the specific energy consumption of the drying chamber on the input parameters

Y2

2,5

1,5

0,5

100    80    70     60     40

3      3.5     4      4.5     5

8     12     16     20     24

-2     -1      0      1      2

x1, К x2, кПа x3, м/с x4, кг/м2

Рисунок 12. Зависимость влагонапряжения сушильной камеры от входных параметров

Figure 12. Dependence of the humidity of the drying chamber on the input parameters

Таблица 2.

Оптимальные интервалы параметров

Table2.

Optimal parameter intervals

Yi	Х1,К		Х2,кПа		Х3, м/с		Х4,кг/м2
	min	max	min	max	min	max	min	max
Y1	393	408	80	40	3	3.5	16	20
Y2	438	453	100	60	4.5	5	8	12

В результате были получены рациональные интервалы изменения параметров: Х1 =418–428 К; Х2 =60–80 кПа; Х3 = 3,5–4,5 м/с; Х4 = 12–16 кг/м².

Для проверки правильности результатов был поставлен ряд параллельных экспериментов.

Полученные результаты попадали в рассчитанные доверительные интервалы по всем критериям качества. При этом среднеквадратичная ошибка не превышала 6,1%.

Заключение

Разработанная статистическая модель сушки свекловичного жома в среде перегретого пара пониженного давления может быть использована при конструкторской разработке оригинальных конструкций сушильных установок