МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ ПИЩЕВОГО СЫРЬЯ

АННОТАЦИЯ

На основе баланса массы и тепла во время сушки была разработана модель процесса сушки на пищевых фабриках. Сетка и воздух, а также коэффициенты теплопередачи между сушильным цилиндром и сеткой сильно влияют на динамику влажности и температуры в каждом цилиндре. Соединения для этой теплопроводности являются результатом работы закрытого блока. Было обнаружено, что коэффициенты теплопередачи могут быть эффективно выражены через влажность, базовую массу и скорость горячего воздуха. Эффективность предложенной модели продемонстрирована с помощью цифрового моделирования.

ABSTRACT

Based on the balance of mass and heat during drying, a model was developed for the drying process in food factories. The mesh and air, as well as the heat transfer coefficients between the drying cylinder and the mesh, strongly influence the dynamics of humidity and temperature in each cylinder. The connections for this thermal conductivity are the result of the closed block operation. It has been found that heat transfer coefficients can be effectively expressed in terms of moisture, basis weight, and hot air velocity. The effectiveness of the proposed model has been demonstrated using digital modeling.

Ключевые слова: сушка, моделирование, теплопроводность, температура, влажность.

Keywords: drying, modeling, thermal conductivity, temperature, humidity.

Целью процесса сушки на предприятии по переработке пищевых продуктов является обеспечение каждой сушилки достаточным количеством тепла для сушки сырья до желаемого уровня влажности. Пар часто является основным источником тепла. Ожидается, что в будущем паровые цилиндры будут по-прежнему удовлетворять значительную часть потребностей в сушке сырья. Пар, направляемый в сушильные цилиндры, конденсируется в теплогенерирующую воду. Для повышения эффективности сушки необходимо подавать в сушильные цилиндры достаточное количество пара и удалять конденсат, образующийся в каждой сушилке. Из-за сложности процесса сушки сырья было трудно повысить эффективность процесса сушки. Достижение оптимальной производительности может быть затруднено без точной информации о температуре цилиндра и количестве воды в движущейся сети.

Для практического использования модель должна быть достаточно полной [1,2], чтобы она могла содержать все существенные эффекты, возникающие при прохождении через сушащуюся часть влажной сетки. Моделирование процесса сушки в машинах для сырьевых материалов привлекло внимание многих исследователей. Около тридцати лет назад была предложена аналоговая компьютерная модель процессов сушки сырья [3]. В этой модели используются простые линейные зависимости для выражения теплоемкости, теплопроводности и коэффициента теплопередачи, а также плотности. Сообщается об интересной модели железа [5], которая используется в операции управления при изменении типа сырья. В этой модели использовалась эмпирическая зависимость между скоростью испарения и прогнозом пара без изменения коэффициентов теплопередачи.

когда были даны фундаментальные знания о сушке сырья, работе сушилки и критических вспомогательных системах [4], определение коэффициентов теплопередачи стало ключевым вопросом при моделировании процесса сушки сырья. Если нет средств прямого определения коэффициентов теплопередачи, мы можем полагаться только на эмпирические соотношения, описывающие коэффициенты теплопередачи. Однако надежного представления для коэффициентов теплопередачи еще не сообщалось.

Целью этого исследования было разработать надежную модель процесса сушки на предприятиях пищевой промышленности. Зависимость теплопроводности выводится из данных о производительности установки с замкнутым контуром. Было обнаружено, что коэффициент теплопередачи может быть эффективно выражен через влажность, базовую массу. Эффективность предложенной модели демонстрируется с помощью цифрового моделирования.

На рисунке 1 показана схема конфигурации сушильной секции. Секция сушки рассматриваемой установки имеет 55 сушильных цилиндров. Первые 39 цилиндров образуют основную сушильную секцию, а остальные цилиндры образуют секцию дополнительной сушки. Каждая сушильная секция разделена на несколько групп в зависимости от приложенного давления пара. На предприятии по производству пищевых продуктов, рассматриваемом в данном исследовании, основная секция сушилки состоит из 3 групп, а секция дополнительной сушки состоит из 2 групп. Приведены динамика и сырье одного сушильного цилиндра в модифицированном положении клапана [3].

Рисунок 1. Схема конфигурации сушильной секции

Формула модели сушилки основана на балансе тепла и массы. Эти балансы состоят из набора дифференциальных уравнений, описывающих тепломассообмен вокруг полотна, сетки и сушильного цилиндра. Предполагается, что внутри цилиндра находится пар.

Формула модели сушилки основана на балансе тепла и массы. Эти весы состоят из набора дифференциальных уравнений, описывающих тепломассоперенос вокруг сетки и сушильного цилиндра. Пар внутри цилиндра является насыщенным, и предполагается, что температура внутри и снаружи решетки одинакова. Из-за свойств влажной сетки и материала сетки теплопередача и сопротивление испарению также незначительны.

Движение температуры цилиндра в зонах A-B можно записать следующим образом:

                                                (1)

                             (2)

Здесь: C_D - удельная теплоемкость цилиндра [kkal/kg ^oC]; C_v - удельная теплоемкость пара [kkal/kg ^oC]; C_w - удельная теплоемкость сети [kkal/kg ^oC]; D - сухой вес [kg]; h_dw - коэффициент теплопередачи между цилиндром и сетью [kkal/m² sek ^oC]; h_s - коэффициент теплопередачи между паром и цилиндром [kkal/m² sek ^oC]; h_ws- коэффициент теплопередачи между сетью и полотном [kkal/m² sek ^oC]; ∆Hev- теплота испарения [kkal/kg]; m- скорость испарения [kg/m² sek]; T₁- температура воздуха по сухому термометру [^oC]; Ts - температура пара [^oC]; T₂- температура сети [^oC]

На рис. 2 показаны результаты моделирования основной сушилки без модификации для сырья с базовой массой 55 g/m². Как упоминалось выше, в большинстве известных сегодня моделей сушки используются постоянные коэффициенты теплопередачи.

Рисунок 2. Температурный диапазон основной сушилки: постоянные коэффициенты теплопередачи (основной вес: 55 g/m²).

Важнейшей задачей при расчете уравнений моделирования является определение коэффициентов теплоотдачи. Известно, что эти коэффициенты зависят от влажности и скорости доступа к сети [4]. Но пока никаких конкретных выражений не поступало. Сообщалось об эмпирическом выражении коэффициента теплопередачи между сетью и воздухом с точки зрения скорости сушки [5]. Однако в большинстве случаев значения коэффициентов теплоотдачи постоянны. Выбор константы основан на экспериментальных результатах для эксперимента или подобной ситуации.

Список литературы:

1. Arpornwichanop, A., Kittisupakorn, P. and Hussain, M.A., ModelBased Control Strategies for a Chemical Batch Reactor with Exothermic Reactions, // Korean J. Chem. Eng., 19(2), 221 (2002).
2. Sultanova Sh., Safarov J., Usenov A., Raxmanova T. Definitions of useful energy and temperature at the outlet of solar collectors. // E3S Web of Conferences: Rudenko International Conference “Methodological problems in reliability study of large energy systems” (RSES 2020). Vol. 216, 2020. P.1-5.
3. Султанова Ш.А. Усенов А.Б. Получение данных температурной зависимости растворимости спирта при экстракции растения базилика обыкновенного (ocimum basilicum). // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. 2020. 11(80).
4. Mori, Y., Shimizu, H., Takao, K., Ikari, T. and Nambu, T. Development of A New Automatic Grade Change System for Paper Machine // Proceedings from Control Systems ‘2000, Victoria. B. C., Canada, 231 (2000).
5. Yeo, Y.K., Roh, H.D., Kim, I.W., Moon, I. and Chung, Y. Optimal Operation of Utility Systems in Petrochemical Plants // Korean J. Chem. Eng., 20, 200 (2003).
6. Yoo, C.K., Lee, J.M. and Lee, I.B. Nonlinear Model-based Dissolved Oxygen Control in a Biological Wastewater Treatment Process // Korean J. Chem. Eng., 21(1), 14 (2004).
7. Yu, Y.H. and Sosna, M.H. Modeling for Industrial Heat Exchanger Type Steam Reformer // Korean J. Chem. Eng., 18(1), 127 (2001).