Моделирование технологического процесса сушки винограда на уровне рабочей камеры

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассмотрена процесс работы ИК-конвективной сушильной установки. Приведены основы процесса сушки, обоснованы выполняемые функции отдельных частей установки  и коэффициенты теплообменного процесса. Вместе с тем согласно закону Дальтона определены уравнения массоотдачи с поверхности твердой фазы, после этого выражается коэффициент массоотдачи через дифференциальной критерии Нуссельта. В продолжении определена скорость процесса сушки, а полный поток влаги записывается через объемный коэффициент массоотдачи, где обе величины находятся по показанию психрометра. Отмечены, что числовые значения тангенса угла наклона прямой равно коэффициенту сушки. На основе экспериментальных и теоретических исследований  определены средние значения N,W,K, зависимости каждого коэффициента в виде произведения не линейных функций от значений исследуемых факторов.

Разработанная математическая модель описывает расход воздуха  в рабочей камере, и который является функцией подачи воздуха.

ABSTRACT

In this article, the operation of an IR convection dryer is considered. The foundations of the drying process are given, the functions of individual parts of the plant and the coefficients of the heat exchange process are justified. At the same time, according to Dalton's law, the mass-transfer equations are determined from the surface of the solid phase, after which the mass-transfer coefficient is expressed through the Nusselt differential criterion. In the continuation, the speed of the drying process is determined, and the total moisture flux is recorded through the volume mass transfer coefficient, where both values are in accordance with the psychrometer. It is noted that the numerical values of the slope of the slope of the straight line are equal to the drying coefficient. Based on the experimental and theoretical studies, the average values of N, W, K, the dependence of each coefficient as a product of nonlinear functions on the values of the factors studied are determined.

The developed mathematical model describes the air flow in the working chamber, and which is a function of air supply.

Известно, что изучение процесса и явлений на уровнях иерархии требует дальнейшего развития применительно к сельхозпродуктам при наличии их живых клеток на стадиях переработки.

Поэтому на втором уровне иерархии элементом системы является рабочая камера, где происходят межфазные – межсистемные процессы. Рабочая камера сушильных установок обеспечены вспомогательными оборудованиями (вентилятор, вакуум-насос и фильтр). На данном уровне иерархии улучшение организации процесса сушки достигается путем подбора конструктивных элементов рабочей камеры, такие как тип нагревателя, отражателя, а также определением длины волны ИК-излучения.

Для обеспечения равномерной подачи сушильного агента и убывания влаги, по всей поверхности материала, ИК - конвективная сушильная установка снабжена вентиляторами. На основе экспериментальных и теоретических исследований определена приемлемая  скорость сушильного агента V=1,7 м/с. Очистка поступающего воздуха осуществляется с помощью фильтра. Для ИК- вакумной сушки, система снабжена вакуум насосом.

Тепловой процесс характеризуется теплообменом газовой и твердой фазе, где основным показателем является коэффициент теплоотдачи.

Из литературных источников коэффициент теплоотдача имеет уравнение:

                                                       (1)

Таким образом, коэффициент теплоотдача зависит от следующих факторов.

                                                      (2)

Массообменные процесс характеризуется коэффициентом массоотдачи    [1, 2 ].

                                                       (3)

Скорость поверхностного испарения влаги от твердой фазы может быть принято равной скорости испарения её со свободной поверхности жидкости и определена согласно закону Дальтона. Поэтому уравнения массоотдачи с поверхности твердой фазы имеет вид:

                                                     (4)

где Р_н  и Р_п – парциальное давления пара; В – барометрическое давление, мм. рт. ст. Выражая коэффициент массоотдачи через дифференциальной критерии Нуссельта [2].

                                                               (5)

Подставляя уравнение (4) в формуле (5)и получим следующие:

                                              (6)

где - характерный линейный размер;   - коэффициент (для влаги находящийся в парообразном состояние).

Коэффициент массоотдачи является мерой интенсивности суммарного переноса вещества в фазе, а интенсивность переноса молекулярной диффузии определяется величинами коэффициента D.

Межфазные процессы характеризуются условиями равновесия. Имея в ввиду изменения влаги материала условия равновесия будет записаны для случая влаги поверхностного слоя высушиваемого продукта.

Перед рассмотрением в период постоянной скорости сушки обычно принимают, что на поверхности изделий достигаются состояние фазового равновесия, т.е. слой материала окружена пленкой влаги и воздух над ней находится в состоянии насыщения и имеет температуры мокрого термометра  [5].

Таким образом, скорость процесса сушки определяется состоянием окружающей среды и условиями сушки, а полный поток влаги можно записывать через объемный коэффициент массоотдачи:

                                   (7)

где - влагосодержание воздуха (кг/кг) на границе слоя, которые считается равновесным, т.е. ;  х- влажность воздуха в объеме сплошной фазы. Обе величины находятся по показанию психрометру. Значения J потока влаги (%/мин^-1) определяются по экспериментальным данным. При  различных температурах можно найти величину , используя соотношение:     

                                                       (8)

Обработкой экспериментальных данных при различных температурах получены зависимость     

Мольные доли определяем по соотношению:

где: - атмосферное давление, мм.рт.ст.; -относительная влажность воздуха, определяется по температуре сухого и мокрого термометра (t_мок,t_cух). Тогда влагосодержание:

                               (9)

В нашем примере определяли х^* и х при t = 55-65⁰C при влажности 6,5 - 72%.  Так как влагосодержание х^*= 0,256, х = 0,00715

Изменение влажности в период постоянной скорости сушки:

                                                 (10)

                                         (11)

где: и начальная и первая критическая влажность.

 - угол наклони кривой сушки в первый период.

                                               (12)

где:  - продолжительность сушки в первый период.

В период подающей скорости сушки:

                                                (13)

                                                   (14)

Необходимо отметит, что числовые значения тангенса угла наклона прямой равно коэффициент сушки.

                                     (15)

На основе экспериментальных и теоретических исследований  определено средние значения N, W, K.   Зависимости каждого коэффициентов в виде произведение не линейных функций от значений исследуемых факторов.

Таким образом,  математическая модель процесса сушки винограда в  рабочей камере (для подачи воздуха в системе рассмотрено вентилятор), учитивая выше приведенные  аналитические соображения массообменный процесс можно  описать в следующим образом:

                                                 (16)

Разработанная математическая модель описывает расход воздуха  в рабочей камере, и который является функцией подачи воздуха.

В данном статье рассмотрена процесс работы ИК-конвективной сушильной установки. Приведены основы процесса сушки, обоснованы выполняемые функции отдельных частей установки  и коэффициенты теплообменного процесса. Вместе с тем согласно закону Дальтона определены уравнения массоотдачи с поверхности твердой фазы, после этого выражается коэффициент массоотдачи через дифференциальной критерии Нуссельта. В продолжении определена скорость процесса сушки, а полный поток влаги записывается через объемный коэффициент массоотдачи, где обе величины находятся по показанию психрометра. Отмечены, что числовые значения тангенса угла наклона прямой равно коэффициенту сушки. На основе экспериментальных и теоретических исследований  определены средние значения N,W,K, зависимости каждого коэффициента в виде произведения не линейных функций от значений исследуемых факторов.

Исходя из аналитических соображений, описана математическая модель процесса сушки винограда в  рабочей камере.