Анализ состояния вопроса сушки семян подсолнечника

DOI: 10.32743/UniTech.2021.85.4-5.14-17

АННОТАЦИЯ

В статье описан процесс с использованием тепла и анализ современного состояния вопросов гидродинамики и тепломассообмена в установке сушильной камеры в фонтанирующих слоях, а также различные варианты установки.

ABSTRACT

The article shows the process using heat analyzing the current state of the issues of hydrodynamics and heat and mass transfer in the installation of a drying chamber with gushing layers, as well as various installation options.

Ключевые слова: сушка, семяна подсолнечника, теплообмен, тепломассообмен, анализ, фонтанирующие слои.

Keywords: drying, sunflower seeds, heat transfer, heat and mass transfer, analysis, gushing layer.

Процессы с использованием тепла (сушка, обжиг, теплообменные и др. аппараты) относятся к числу наиболее энергоемких, поэтому вопросы экономии энергии при проведении этих процессов необходи­мо решать уже на стадии выбора и расчета теплотехнических устано­вок для обработки конкретных материалов наряду с рассмотрением комплекса технологических факторов, определяющих эффективность работы этих установок.

Обзор существующих способов сушки семян подсолнечника, способы энергоподвода достаточно глубоко не исследованы во взаимосвязи влаги с материалом, его сорбционно-десорбционных свойств, а также теплофизических свойств.

Физический анализ явления переноса массы в капиллярно-пористом материале показывает, что это сложный процесс, состоящий из ряда механизмов, проявляющихся в той или иной мере в зависимости от вида процесса (сушка, адсорбция, экстрагирование). Применительно к отдельным процессам можно выделить следующие основные механизмы [1–4].

Класс коллоидных капиллярно-пористых материалов – пористые материалы с проницаемыми стенками пор. Собственно, твердая фаза также участвует в массопереносе (молекулярная или осмотическая диффузия через стенки и др.). В этом случае происходит удаление влаги из замкнутых пор при сушке материалов растительного происхождения (семечка).

Влага, находящаяся в дисперсном теле, удерживается в нем силами различной величины и природы, действие которых может изменяться в зависимости от влагосодержания, температуры и пористой структуры. Для термодинамического описания состояния влаги капиллярно-пористого тела в этих условиях нужно располагать комплексом термодинамических функций, таких как изменение энтальпии ΔН, энтропии ΔS, свободной энергии ΔF при определении влагосодержания J и температуры Т. Свободная энергия ΔF количественно характеризует потенциальную способность вещества, придерживает химическое или физические превращения.

Для сложных многокомпонентных систем растительного происхождения мы не располагаем данными для расчета, величину свободной энергии ΔS можно определить по константам:

 ΔS=-RT ln P_об / Ps,                                                                (1)

где R – универсальная газовая постоянная (R = 8,314 Дж/кг*к);

Т – температура, К;

Р_об – давление водяных паров над поверхностью;

Рs – давление насыщенного пара при температуре Т, Па.

Анализ изотерм, полученных экспериментальным путем, позволяет по характерным точкам определить некоторые области влагосодержания, соответствующие определенным формам связи влаги с материалом, соответствующим определенным формам энергии связи:

 ψ = 1/N * dw/dτ,                                                                (2)

где τ = 1/N [(w₁ – w_k) +A 2,3 lg w_k – w_p / w₂ – w_p + β(w_k – w₂)];

w₁,w_k,w₂ – соответственно влагосодержание продукта начальное, критическое и конечное;

N – максимальная скорость сушки первого периода;

β – коэффициент массообмена.

Обсуждение массообмена в фонтанирующем слое в отличие от теплообмена огра­ничивает рассмотрение обмена между ожижающим агентом (легкой фазой) и твердыми частицами. Массопередача между лег­кой фазой и отдельными частицами слоя, подобно теплопередаче, может происходить либо во внешней, либо во внутренней диффу­зионной областях. Последний режим представляет больший прак­тический интерес, особенно с тех пор, как фонтанирующий слой стал применяться для процессов сушки, в которых свойства твер­дых частиц и диапазон влажности часто таковы, что лимитирующее сопротивление процессу сосредоточено внутри частицы. Тем самым основное внимание в этой главе, которая начинается с краткого анализа внешнедиффузионного массопереноса, уде­ляется диффузионным лимитирующим этапам сушки горячим газом твердых частиц в фонтанирующем слое.

Массопередача паров от твердых частиц к газу лимитируется внешней диффузией, если при сушке твердых частиц пары обра­зуются в периоде постоянной скорости. В то время как механизм массопереноса от индивидуальной частицы при этих условиях совершенно аналогичен теплопередаче, не существует единой теории для описания процесса массопередачи от слоя частиц в целом к взвешивающему его газу. Это было отмечено для псевдоожижения и в равной степени справедливо для фонтанирования. Твердые частицы, играющие роль переносчиков теплоты из горячей части слоя к более холодной, что обсужда­лось в предыдущей главе, в процессе массопередачи выполняют иные функции, поскольку частицы остаются всегда при одной и той же температуре, соответствующей адиабатической темпера­туре насыщения входящего газа. Вопрос приближения процесса массопередачи к состоянию равновесия между фонтанирующим газом и слоем твердых частиц все же можно рассматривать по аналогии с теплопередачей. Анализ соответ­ствующей проблемы в теплопередаче был основан на использовании взаимодействия «легкая фаза – частица» в ядре и периферии (кольце слоя) отдельно, а не в аспекте механизма передачи к слою в целом [1–7].

По аналогии с уравнением (1) массопередача при движущей силе, выраженной через концентрацию паров передающей фазы в основном потоке газа, т.е. паров, образующихся из твердых частиц, описывается уравнением:

  ,                                          (3)

где С* – равновесная концентрация на поверхности частицы;

С₀ и С – начальная и текущая концентрации паров соответст­венно;

К_м – коэффициент массопередачи, отнесенный к единице поверхности частиц.

Во всем слое частиц при одной и той же температуре, а именно адиабатической температуре насыщения, значение С* будет оста­ваться постоянным по всему слою.

В заключение отметим, что для описания внутреннего массопереноса в системах с твердой фазой на современном этапе ис­пользуются следующие основные методы: физический, занимаю­щийся анализом механизмов массо- и теплопереноса, кинетиче­ский, основывающийся на понятиях коэффициентов массопровод­ности, массопередачи и термодинамических процессов [6]. Наряду с классическими кинетическими и термодинамическими уравне­ниями массо- и теплопереноса, основанными на представлении о безынерционной реакции системы на соответствующее возмуще­ние, предложены уравнения, учитывающие конечную скорость установления механизма массо- и теплопроводности [2]. Известны также попытки применения теории информации для опи­сания внутреннего массо- и теплопереноса [5; 6].

Резюмируя, можно сделать вывод о том, что процессы транс­порта вещества в твердой фазе при сушке, адсорбции, экстраги­ровании, несмотря на различие в механизмах переноса, обладают большой степенью кинетической общности. Общим для этих процессов является диффузионный (в широком смысле слова) механизм переноса, который в изотермических условиях может быть выражен уравнением массопроводности (3), а в неизо­термических – уравнением, учитывающим термодиффузию.

Таким образом, имеются многочисленные работы, где представлены аналитические и экспериментальные данные по межфазному тепло- и массообмену в фонтанирующих слоях. Однако применение полученных зависимостей в практике требует определения эмпирических коэффициентов, зависящих от свойств высушиваемого материала и типа сушилки, поэтому в каждом конкретном случае для описания процесса сушки дисперсных материалов в аппаратах фонтанирующего слоя требуется проведение дополнительных экспериментальных исследований [2].

Анализируя современное состояние вопросов гидродинамики и тепломассообмена в фонтанирующих слоях, а также различные варианты аппаратурного оформления процесса сушки в них, можно сделать следующие выводы.

1. Энергетические и технологические показатели существующих сушильных установок не отвечают требованиям современного состояния развития техники.
2. Достаточно хорошо разработаны теоретические предпосылки для аналитического решения задач гидродинамики и тепломассообмена в аппаратах фонтанирующего слоя. Но применить полученные закономерности гидродинамики и тепломассообмена к термолабильным маслосодержащим материалам очень трудно.
3. Практически отсутствуют сушильные аппараты с фонтанирующим слоем для сушки термолабильных маслосодержащих семян и исследования по ним.
4. Практически отсутствуют теоретические проработки условий тепломассообмена в сушильных аппаратах фонтанирующего слоя, а также законченные инженерные методики их расчета.

Исходя из выше указанного, целью настоящей статьей является комплексное исследование семян подсолнечника как объекта сушки с последующим выбором рационального типа аппарата, предназначенного для одновременной сушки и охлаждения маслосодержащих семян, построение математической модели гидродинамики и протекающих в ней тепломассообменных процессов, а также создание на этой основе методики расчета промышленного образца сушильного аппарата фонтанирующего слоя.

Для достижения этой цели на основании анализа имеющихся данных автором решались следующие задачи.

1. Исследование маслосодержащих семян как объекта тепло-технологической переработки.
2. Моделирование гидродинамической обстановки в сушильном аппарате при сушке семян подсолнечника.
3. Аналитическое описание процесса нагрева и охлаждения семян, а также кинетики сушки.
4. Экспериментальные исследования по изучению гидродинамики, кинетики сушки и процесса охлаждения семян подсолнечника в аппарате.
5. Определение оптимального времени пребывания частиц обрабатываемого материала в фонтанирующем слое.
6. Разработка рациональных конструкций сушильного аппарата фонтанирующего слоя для масличных семян.

Выполненный краткий обзор существующих и возможных методов сушки семян подсолнечника показывает, что у действующих технологий имеются недостатки, которые сильно влияют на качество получаемого продукта и его себестоимость. В связи с этими в первую очередь требуется исследовать семяна подсолнечника как объект тепло-технологической переработки, что позволяет научно обосновывать выбор способа и конструкции сушильного аппарата.

Список литературы:

1. Исследование теплофизических характеристик картофеля при длительном хранении в малом хранилище / Г.Н. Узаков, А.Т. Теймурханов, А.Б. Вардияшвили, Р.А. Захидов // Хранение и переработка сельхозсырья. – 1999. – № 2. – С. 59–63.
2. Мурадов И., Исмоилджонов Ж.Р. Расчет технико-экономических показателей сушильной камеры с фонтанирующим слоем // Universum: технические науки. Научный журнал. – 2021. – № 2 (83). Ч. 2. – С. 65–68.
3. Application of Various Computer Tools for the Optimization of the Heat Pump Heating Systems with Extraction of Low-Grade Heat from Surface Watercourses / A. Sychov, V. Kharchenko, P. Vasant, G. Uzakov // Advances in Intelligent Systems and Computing. – 2019. – № 866. – P. 310–319.
4. Development of A Scheme For The Thermal Processing of Solid Household / I. Muradov, B.M. Toshmamatov, N.M. Kurbanova, S.R. Baratova [et al.] // International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology. – 2019. – Vol. 6, Issue 9. – P. 10784–10787.
5. Kharchenko, V.V., Sychov, A.O., Uzakov, G.N. Innovative instruments for extraction of low-grade heat from surface watercourses for heating systems with heat pump. EAI // Springer Innovations in Communication and Computing. – 2019. – P. 59–68.
6. Khuzhakulov S.M., Uzakov G.N., Vardiyashvili A.B. Effectiveness of solar heating systems for the regeneration of adsorbents in recessed fruit and vegetable storages // Applied Solar Energy (English translation of Geliotekhnika). – 2013. – № 49 (4). – P. 257–260.
7. Uzakov G.N. Technical and economic calculation of combined heating and cooling systems vegetable store-solar greenhouse // Applied Solar Energy (English translation of Geliotekhnika). – 2012. – № 48 (1). – Р. 60–61.