Сельское хозяйство/ 4.Технологии хранения и переработки сельскохозяйственной продукции

К.т.н Румянцев А.А.

Костанайский государственный университет им. А. Байтурсынова,

Казахстан

К обоснованию интенсивности конденсации пара при гидротермической обработке зерна в аппаратах силосного типа

В настоящее время нет данных по интенсивности конденсации пара в зерновой массе, подвергнутой гидротермической обработке (ГТО) в аппаратах силосного типа периодического действия с неподвижным (стационарным) слоем зерна, имеющих широкое распространение. Это, в свою очередь, не позволяет оценить эффективность использования материальных и тепловых ресурсов, а также коэффициент полезного действия подобных устройств. Однако имеются результаты исследования интенсивности конденсации пара в слое вареной крупы, пронизываемом паром атмосферного давления при ГТО и варке крупы [1]. Эти исследования показали, что наибольшая интенсивность конденсации пара наблюдалась в периоде прогрева крупы, который сопровождался также высокой скоростью влагопоглощения исходного продукта. Ввиду больших различий в начальный период времени температур слоя продукта и пара, а также относительно невысокого начального влагосодержания исходного продукта рассматриваемая обработка крупы обусловлена нестационарными взаимосвязанными процессами тепломассообмена. Учитывая биофизическую схожесть исходных продуктов, начальных температурных параметров и при наличии ещё боле низкого начального влагосодержания зерна аналогичных процессов и результатов следует ожидать и при ГТО зерна крупяных культур.

Практика показывает, что в процессе ГТО зерна крупяных культур происходит незначительное (2-6%) увеличение его влажности, поэтому можно считать, что удельная поверхность слоя зерна практически не меняется. В связи с этим воспользуемся зависимостью, полученной вышеуказанными исследованиями и определяющей текущую интенсивность j_к , кг/(м³´с), конденсации перегретого пара в слое крупы, применительно к ГТО зерна крупяных культур с неизменяемой удельной поверхностью слоя

(1)

где a – коэффициент теплоотдачи пара зерну, определенный по критериальному уравнению конвективного теплообмена, Дж/(м²´с´град);

e – порозность слоя зерна;

χ_э – коэффициент экранировки, учитывающий уменьшение поверхности конденсации за счёт контакта зерновок и изменение их удельной поверхности;

DT=T_n-T(t) – разность между температурой теплоносителя Т_п и текущей температурой поверхности зерна T(t), °C;

r – удельная теплота парообразования (конденсации ), Дж/кг;

R_VH – определяющий размер зерновки, представляющий отношение объёма зерновки к ее поверхности перед ГТО, м.

Из-за незначительного доувлажнения зерна почти всё количество теплоты, выделяющейся при конденсации пара, проходит к поверхности зерновки через плёнку конденсата и перенос теплоты осуществляется путём теплопроводности. При таком допущении распределение температуры в объеме слоя зерна можно рассматривать как нестационарный процесс нагрева тела при начальных и граничных условиях третьего рода. В этом случае в соответствии с теорией тепломассопереноса [2, 3] разность температуры теплоносителя и поверхности нагреваемого зерна определяется из решения дифференциального уравнения теплопроводности, имеющего вид

, (2)

где Т₀ – начальная температура зерна, °С;

А_п – начальные тепловые амплитуды;

k_n – корни характеристического уравнения, получаемые при решении дифференциального уравнения нестационарной теплопроводности;

Fo – критерий Фурье.

При ГТО зерна насыщенным паром для расчёта коэффициента теплоотдачи a между плёнкой конденсата и поверхностью зерна используем уравнение Нуссельта при ламинарном течении пленки, которое после ряда преобразований, учитывающих особенности теплообмена в период прогрева, имеет вид

, (3)

где U_н – начальное влагосодержание зерна, кг/кг;

l_к, l_кн – соответственно теплопроводности конденсата у поверхности зерновки и при температуре насыщения, Дж/(м´с´град);

m_к, m_кн – соответственно коэффициенты динамической вязкости у поверхности конденсата и при температуре насыщения конденсата, Па´с;

r_к – плотность конденсата, кг/м³;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

h – высота слоя зерна, м.

При выводе уравнения (3) считали, что движение конденсата на поверхности зерновки и трение пара о конденсат отсутствуют, а конвективный перенос теплоты в конденсатной плёнке и теплопроводность вдоль неё малы по сравнению с теплопроводностью поперек плёнки конденсата.

Подставив в выражение (1) зависимости (2) и (3), получим уравнение для вычисления мгновенных значений интенсивности конденсации

(4)

Общее количество конденсата m_к, образующегося за время t=t в единице объема пропариваемого зерна, можно вычислить, проинтегрировав последнее выражение в этом интервале времени

=

=

(5)

где а – коэффициент температуропроводности зерна, м²/с.

Учитывая быструю сходимость ряда при вычислениях можно ограничиться малыми значениями n. В качестве теплофизических характеристик конденсата следует брать их средние значения в рассматриваемом интервале температур. Значения характеристических чисел можно найти методом последовательных приближений, коэффициента температуропроводности – в [4], теплофизические параметры конденсата – в теплотехнической справочной литературе, а значения постоянных с учетом рассчитанных критерия Био и числа Фурье – в [5].

Интенсивность конденсации пара в зерновой массе могут быть определены и экспериментальным путем, а степень сходимости расчетных и экспериментальных результатов позволят подтвердить обоснованность использования полученной зависимости для количественной оценки конденсации пара при ГТО.

Зная количество и теплофизические характеристики конденсата несложно определить и тепловые потери, связанные с его отводом вне рабочей камеры аппарата, а также прогнозировать и оптимизировать расход пара при ГТО зерна.

Литература:

1. Калашников Г. В. Развитие процессов влаготепловой обработки пищевого растительного сырья (теория, технология и техника): Автореф. дис. … д-ра техн. наук: 05.18.12. – Воронеж, 2004. – 43с.

2. Лыков А.В., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массопереноса. – М.: Госэнергоиздат, 1963. – 536 с.

3. Михайлов Ю.А. Тепло- и массоперенос. – Минск: Энергия, 1972. – 200с.

4. Гинзбург А.С., Громов М.А. Теплофизические свойства зерна, муки и крупы. – М.: Колос, 1984. – 304с.

5. Лыков А.В. Тепломассообмен. – М.: Энергия. 1978. – 479 с.