Оптимизация режимов работы инфракрасной камеры для сушки продукции растениеводства.

ОДЕССА-ХАРЬКОВ

Актуальным является использование устройств инфракрасного нагрева для сушки продуктов сельскохозяйственного производства, в частности овощей и фруктов в условиях фермерских хозяйств. Для достижения максимальной экономической эффективности инфракрасной сушки следует установить оптимальные режимы сушки.

Для постановки задачи оптимизации в качестве критериев оптимизации процесса сушки следует принять:

а) удельные затраты энергии на процесс сушки должны быть минимальными;

б) скорость сушки должна быть максимальной, а время сушки, соответственно, минимальным.

Ограничением для задачи является температура продукта сушки, которая не должна превышать значение, обеспечивающее сохранность биологически ценных компонент растительного сырья. По данным [1] таким значением является 50ºС.

Варьируемые факторы задачи оптимизации – тепловая мощность источника энергии (мощность источников излучения) и скорость вентиляции объема сушильной камеры.

Для решения задачи оптимизации использована модель процесса сушки, включающая в себя зависимости:

- функции давления и плотности насыщенного водяного пара от температуры [2];

- функции парциального давления и плотности водяного пара от температуры и влажности воздуха [2];

- зависимость скорости испарения влаги W со свободной поверхности [3]:

,

(1)

где F – площадь поверхности испарения, м2; р1 – давление насыщенных паров при температуре поверхности воды, мм. рт. ст.; рn – парциальное давление водяного пара в воздухе на поверхностью испарения, мм. рт. ст.

Правомерность использования зависимости (1) в модели сушки овощей и фруктов должна быть подтверждена экспериментально.

Модель по заданным атмосферному давлению, температуре и влажности воздуха в помещении, скорости вентиляции камеры, температурам на поверхности испарения и над поверхностью испарения позволяет рассчитать скорость испарения влаги с учетом равновесного температурно-влажностного состояния над поверхностью испарения, массовый расход паровоздушной смеси через камеру, количество энергии, затрачиваемое на испарение влаги и на нагрев паровоздушной смеси. Результаты всех расчетов получаем для единицы площади испарения (1м2). Зависимости для скорости сушки и массового расхода паровоздушной смеси через сушильную камеру позволяют по скрытой теплоте парообразования и теплоемкости паровоздушной смеси определить затрачиваемую тепловую мощность на процесс испарения влаги qИ и процесс нагрева воздуха в камере qВ. Принимая, что в теплоизолированной сушильной камере в процессе сушки других стоков энергии нет, то сумма указанных энергетических затрат составит полные затраты энергии.

Отношение затрат мощности на процесс испарения к затратам мощности на нагрев воздуха qи/qв определяет степень совершенства сушильной камеры. На рис.1 приведена зависимость qи/qв от скорости вентиляции Vв при различных значениях температуры поверхности испарения tп.

Данные, представленные на рис.1, показывают, что наиболее предпочтительным по соотношению затрат на испарение и на нагрев режимом сушки является режим максимально допустимой для продукта сушки температуры поверхности испарения и близкой к минимально возможной скорости вентиляции объема камеры (точка А на рис.1). Увеличение температуры воздуха снижает отношение qи/qв, а также смещает максимум qи/qв в сторону больших значений скорости вентиляции.

температура воздуха tв=25ºС; температура воздуха tв=60ºС;

1 - температура поверхности 25ºС; 2 - 45ºС; 3 - 60ºС; Рис.1. Зависимость отношения энергетических затрат на испарение и на нагрев воздуха сушки от скорости вентиляции и температуры поверхности испарения

По полученным значениям скорости сушки и массового расхода паровоздушной смеси через камеру определяем время сушки и суммарные затраты энергии на процесс сушки. На рис.2 приведены зависимости относительного времени сушки и относительных затрат энергии на процесс сушки от скорости вентиляции Vв, где

(2)

В формулах (2) значения и соответствуют точке А на рис.1.

температура воздуха tв=25ºС; температура поверхности tп=60ºС Рис.2. Влияние скорости вентиляции на время сушки и полные затраты энергии на процесс сушки

Зависимости на рис.1 и рис.2 показывают, что режимом, обеспечивающим минимальные энергозатраты, является режим максимальной температуры продукта сушки и максимальной влажности агента сушки. Такой режим обеспечивается минимально возможной скоростью вентиляции. Увеличение скорости вентиляции приводит к несущественному снижению времени сушки при значительном росте энергозатрат.

Полученные выводы подтверждены экспериментальными сушками, выполненными в лабораторной инфракрасной сушильной камере, схема которой представлена на рис.3. Рабочий объем камеры составляет 950х350х600 мм3. Стенки камеры теплоизолированы листовым пенопластом толщиной 50мм, а внутренний объем камеры выстелен пенофолом толщиной 3мм с алюминизированным отражающим покрытием. В камере на весах установлен сетчатый лоток. Источник излучения – инфракрасные излучатели с «изотермическими» отражателями [4] и линейными лампами накаливания температурой спирали 3000К и общей электрической мощностью 800Вт – 1200Вт. Воздух снаружи в камеру попадает через плоскую щель между дном и фронтальными стенками камеры, проходит через сетку лотка и через 2 цилиндрических отверстия в крышке камеры выходит наружу. Для принудительной вентиляции в отверстиях установлены вентиляторы общим объемным расходом 100м3/час. В экспериментах измеряли убыль массы продукта сушки, температуру продукта на лотке, температуры на входе и выходе воздуха из камеры и относительную влажность воздуха на выходе из камеры. Рабочий диапазон измерений массы – 0-2000г, температуры - 0-100°С, относительной влажности воздуха - 0-100%. Разрешающая способность, соответственно, 0,1г, 0,1°С, 0,1% влажности. Погрешность измерения массы - ±0,5г, температуры - ±1,5°С, влажности - 2%. Экспериментальные данные регистрировались в память персонального компьютера с интервалом 30с.

В качестве продукта сушки использовали яблоки, морковь, свеклу, нарезанные ломтиками или соломкой, виноградную выжимку, а также физическую модель растительного сырья, представляющую собой войлочные пластины или войлочные цилиндры - «пыжи», пропитанные водным раствором желатина. Влага в структуре войлока удерживается адсорбцией и физико-механической связью, коллоидную связь влаги моделируют растворы желатина [2]. В эксперименте масса сухих пыжей при температуре воздуха 15°С и относительной влажности 60% составляла 120 грамм, а войлочных пластин – 106 грамм. Перед сушкой пыжи (пластины) выдерживались в воде или растворе желатина в течение 30 минут. После этого для стекания остатков жидкости пыжи (пластины) выкладывались на сито, на котором находились в течение 5-10 минут. Концентрация желатина составляла 1,5%. Масса влажных пыжей перед сушкой составляла 850-1000 грамм, масса влажных пластин войлока – 750-810 грамм.

Рис.3. Лабораторная сушильная камера.

Для сравнения скорости сушки физической модели и скорости испарения со свободной поверхности воды влажные войлочные пластины и воду помещали в металлический лоток размерами 333х225 мм2, который подвешивали на весах в среднем сечении лабораторной камеры взамен сетчатого лотка. Для сушки задействовали только верхний ряд излучателей (тепловая мощность 400Вт), излучение которых направлено на поверхность пластин или воды. Камеру принудительно вентилировали расходом воздуха 50 м3/час (расчетная скорость движения воздуха в сечении лотка – 0,085м/с). Для измерения температуры термопары размещали по глубине слоя воды и пластин войлока. В проведенных экспериментах влажность воздуха на выходе из сушильной камеры составляла 20±2%.

На рис.4 приведены кривые испарения свободной поверхности воды и сушки пластин войлока, выдержанной в воде. Линия 1 на рис.4 позволяет определить, что для принятого режима сушки скорость испарения свободной влаги составила 6,76 мг/с или 90,3 мг/с·м2. Для проведения сушки войлока на дно лотка укладывались полоски войлока, укрывающие дно на 10-15% площади, затем лоток наполняли водой на высоту полосок. Сверху укладывали две пластины войлока, выдержанные в воде. Линия сушки войлока имеет характерный излом, разбивающий процесс сушки на 3 периода. Первый и второй периоды – сушка листов войлока, третий – испарение воды из-под листов. Существенно нелинейный участок перехода от 1-го периода сушки к 3-му соответствует 2-му периоду – периоду падающей скорости сушки. Скорость сушки войлока (линия 2 на рис.4) составила 6,1 мг/с или 81,3 мг/с·м2.

Рис.4. Кривые испарения свободной поверхности воды 1 и сушки пластин войлока 2.

Несущественность периода падающей скорости сушки войлока и 10%-е отличие скорости сушки войлока в 1-м периоде и скорости испарения свободной поверхности воды позволяют предположить, что основная часть влаги из продукции растениеводства испаряется как влага свободной поверхности. Таким образом, оценки расчетной модели сушки можно считать достоверными.

Для определения тепловой мощности, обеспечивающей максимальную скорость ИК сушки, выполнена сушка физической модели. Для сушки использованы войлочные пыжи, пропитанные 1%-м водным раствором желатина. Сушка проводилась с постоянной вентиляцией камеры (скорость обмена воздуха 25м3/ч). Время сушки составляло 6,5-17 часов. Тепловая нагрузка в процессе сушки была постоянной и для различных режимов сушки варьировалась от 100Вт до 1200Вт. Изменение тепловой нагрузки осуществляли отключением части ламп излучателей, а также изменением напряжения питания на лампах при помощи тиристорного регулятора. Результаты экспериментов приведены на рис.5.

Полученные данные показывают, что увеличение тепловой мощности (позиции 1-8 на горизонтальной оси) приводит к уменьшению затрат энергии Q и росту скорости сушки V, и подтверждают вывод о необходимости поддержания максимально возможной температуры на поверхности продукта сушки.

Исследование зависимости режимных параметров процесса ИК сушки от скорости воздухообмена в камере выполнено при сушке пыжей, замоченных в воде. Управление воздухообменом осуществлялось изменением проходного сечения вентиляторов на крышке сушильной камеры от 0% (полностью закрыты) до 100% (вентиляторы открыты, их вращение заблокировано), а также режимы 100% (вентиляторы открыты и вращаются под действием естественной конвекции воздуха в камере), 100% (вентиляторы открыты и работают с расходом 25м3/ч).

Напряжение питания ламп по позициям на горизонтальной оси: 1 – 70В; 2 – 90В; 3 – 110В; 4 – 130В; 5 – 150В; 6 – 190В; 7 – 220В; 8 – 220В. Рис.5. Режимные параметры сушки пыжей с раствором желатина при включении 4 ламп (поз.1-7) и 8 ламп (поз.8).

Тепловая мощность камеры во всех сушках составляла 400Вт (4 лампы по 100Вт над поверхностью лотка). Результаты экспериментов приведены в таблице 1, а также на рис.6. Все данные в таблице определены для периода постоянной температуры продукта (постоянной скорости сушки). Количество испаренной влаги m, время сушки τ и затраты энергии Q определялись на участке кривой сушки (кривая убыли массы продукта) 100-30%. Скорость сушки V определялась как тангенс угла наклона касательной к кривой сушки на промежутке 50-150 минут сушки. Температура поверхности продукта tp, температура tw и относительная влажность воздуха φ определялись на интервале 150 -250 минут сушки.

Таблица 1. Режимные параметры сушки пыжей.

№	Режим	V, кг/с∙10-7	τ , час	Q, кВт∙ч/кг	m, кг	tp, °С	tw, °С	φ, %
1	100%+ 25м3/ч	3,381	5,1	8,77	0,348	28,6±1,2	35,9±0,4	36,0±0,7
2	100%+ вентилятор	4,499	6,5	4,77	0,549	34,4±2,3	41,7±0,1	38,6±0,2
4,927	6,3	4,07	0,617	37,1±2,6	43,1±0,1	39,9±0,5
3	100%	5,037	5,1	4,27	0,478	28,8±2,5	35,1±0,3	28,2±1,0
3,866	5,7	5,23	0,435	36,2±2,6	42,0±0,2	39,1±0,3
4	75%	4,885	6,4	4,19	0,614	35,0±2,4	47,4±0,3	33,0±0,5
4,737	7,5	4,30	0,693	36,7±0,8	35,4±0,7	52,7±1,0
5	50%	3,623	5,5	5,75	0,385	35,5±2,6	37,9±0,5	38,0±0,4
3,562	5,7	5,64	0,404	33,8±1,3	43,0±0,1	31,2±0,2
6	25%	5,026	6,6	4,40	0,595	36,4±2,8	42,5±0,3	38,4±0,2
4,209	7,8	4,54	0,687	32,6±1,1	40,9±0,6	37,4±0,3
7	0% (открыты отв. снизу)	3,883	4,6	5,25	0,348	37,2±3,5	29,0±0,4	67,6±0,6
3,924	5,7	5,15	0,441	38,4±1,9	30,6±0,3	65,3±0,6
8	0% (герме-тичная камера)	9,676	0,7	3,79	0,08	55,2±1,7	68,8±0,6	-

Полученные данные показывают, что уменьшение скорости вентиляции (позиции 1-8 на горизонтальной оси) приводит к уменьшению затрат энергии Q и росту скорости сушки V, и подтверждают вывод о необходимости поддержания максимально возможной влажности над поверхностью продукта сушки. Так, в эксперименте уменьшение расхода воздуха через камеру приводит к росту влажности от 36% при принудительной вентиляции объема камеры до 65-67% для камеры с закрытым выходным сечением, а также к росту температуры продукта сушки и воздуха в камере. Температура продукта во время сушки в эксперименте не превышает 40°С (только при полностью закрытой камере температура продукта достигла 55°С) и согласно [1] может быть увеличена до 50°С без потери качества продукта. Для получения низких затрат энергии на испарение влаги необходимо согласованно уменьшать скорость воздухообмена и тепловую мощность камеры. Это даст возможность получить относительную влажность воздуха близкую к 100% при температуре продукта не более 50 °С.

Номера режимов на горизонтальной оси соответствуют таблице 1. Рис.6. Режимные параметры сушки пыжей.

Выводы.

Оптимальным по экономичности режимом инфракрасной сушки продукции растениеводства (плодов и овощей) является режим тепловой мощности и вентиляции объема сушильного устройства, обеспечивающий максимально возможную влажность агента сушки в камере при максимально допустимой для данного продукта сушки температуре. То есть, массовый расход воздуха через камеру должен быть минимально возможным, обеспечивающим близкую к 100% влажность агента сушки, а тепловая мощность должна быть максимальной, обеспечивающей предельно допустимое значение температуры продукта сушки.

Увеличение массового расхода агента сушки через камеру приводит к незначительному росту скорости сушки при существенном увеличении энергозатрат.

Литература.

1. Сублимационная сушка пищевых продуктов растительного происхождения. Под ред. В. Г. Поповского.-М.:Пищевая промышленность, 1975.-336с.

2. Лыков А. В. Теория сушки. – М: Энергия, 1968. -472с.

3. Глауберман Х. Б. Отопление, вентиляция и сушка. М.-Л.: Госуд. Научно-техническое издательство легкой промышленности. 1949. – 450с.

4. Про изотермические отражатели (КАПАКС-2009).

Завалий А. А., Янович И. B., Лаго Л. А.