Исследование процесса сушки тыквы под воздействием акустической волны

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Основы теории сушки тыквы под акустическим воздействием

Процесс сушки, заключающийся в удалении влаги из материала, с одной стороны, является одним из ключевых этапов различных технологических процессов, с другой стороны, одной из самых затратных стадий обработки материала. Качество и скорость реализации процесса сушки в значительной степени определяют качество и себестоимость конечного продукта.

Традиционные способы сушки чрезвычайно энергоемки и крайне не эффективны. Сушка, с использованием стандартных сушилок при высоком энергопотреблении, протекает продолжительное время и зачастую приводит к высокому проценту брака за счет перегрева или неравномерного высушивания.

Процесс сушки состоит из двух основных этапов, обычно называемых первым периодом, или периодом постоянной скорости, и вторым периодом, или периодом падающей скорости сушки (Ю.Я. Борисов, Н.М. Гынкина. Акустическая сушка. -в кн. Физические основы ультразвуковой технологии. Физика и техника мощного ультразвука. Книга 3, Под ред. Л.Д. Розенберга. М., "Наука", 1970, стр.579-641.)

В первом периоде процесс сушки характерен линейным изменением влагосодержания материала во времени. Этот линейный закон изменения влажности отражает тот факт, что влага, испаряющаяся с поверхности, непрерывно заменяется новой, поступающей из внутренних слоев. Вследствие того, что температура поверхности материала в этот период (обычно равная температуре внутренних слоев) остается постоянной, давление пара жидкости на поверхности оказывается равным давлению насыщения. Таким образом, процесс сушки в первом периоде эквивалентен испарению жидкости со свободной поверхности и определяется лишь внешними факторами, т.е. температурой, скоростью движения и влагосодержанием окружающего воздуха.

Процесс испарения влаги со свободной поверхности в изотермических условиях подчиняется закону Дальтона:

	(2.1),

m -масса испарившейся жидкости;

К-d время;

K -коэффициент, учитывающий гидродинамические условия на поверхности; S -площадь поверхности испарения материала; P₀ -давление насыщенного пара на поверхности материала (при температуре поверхности); P-парциальное давление пара в окружающей среде; P_??-барометрическое давление в окружающей среде.

По мере уменьшения влажности в материале наступает момент, когда скорость подачи влаги к поверхности оказывается недостаточной, чтобы обеспечить прежнюю скорость испарения с поверхности, вследствие чего скорость сушки начинает падать. Влажность, после которой зависимость влагосодержания от времени (кривая сушки) становится нелинейной, отделяет первый период от второго и называется критической влажностью. Критическая влажность, даже для одного материала, величина непостоянная и зависит от режима сушки. Начиная с критической влажности, кривая сушки асимптотически приближается к равновесной влажности, при которой убыль влаги прекращается.

Снижение скорости сушки при неизменных условиях испарения на поверхности материала объясняется перемещением зоны испарения с поверхности вглубь материала. При этом внутри тела влага продолжает перемещаться по капиллярам в виде жидкости до зоны испарения, а потом в виде пара, диффундирующего через сухие слои материала. Таким образом, во втором периоде скорость сушки определяется скоростью перемещения жидкой и газообразной фаз внутри материала и зависит, главным образом, от структуры материала.

Перемещение влаги внутри материала происходит по закону, аналогичному закону теплопроводности и, общий поток влаги внутри материала может быть выражен равенством:

	(2.2),

-коэффициент диффузии влаги;

-градиент влажности;

-коэффициент термодиффузии;

-плотность сухого тела;

-градиент температуры;

-коэффициент молярного переноса под действием градиента давления;

-градиент давления.

Процесс сушки продолжается до тех пор, пока влажность материала не достигнет равновесного (при заданных условиях) значения, после чего процесс прекращается.

Рассмотренный механизм позволяет выявить пути интенсификации процесса сушки.

В первом периоде ускорение сушки материалов может быть достигнуто, как это видно из закона Дальтона (1), следующими путями:

а) увеличением разности давлений насыщенного пара у поверхности испарения и парциального давления пара в окружающей среде ();

б) снижение барометрического давления в окружающей среде ;

в) увеличением площади поверхности испарения ;

г) увеличением коэффициента , учитывающего, в конечном счете, толщину пограничного диффузионного слоя.

Увеличение разности () может быть достигнуто увеличением температуры окружавшего воздуха и осушением окружающей атмосферы. Дополнительное осушение требует значительных энергозатрат. А дополнительный прогрев не всегда допустим, так как достаточно большое количество материалов теряет свои свойства при повышенных температурах.

Уменьшение барометрического давления окружающей атмосферы -это, по существу, вакуумная сушка.

Коэффициент , учитывающий гидродинамические условия на поверхности испарения, тем больше, чем выше скорость относительного движения поверхности испарения и окружающего воздуха. При увеличении скорости относительного движения становится тоньше пограничный слой над поверхностью испарения:

	(2.3)

где -толщина диффузионного пограничного слоя;

l -характерный размер;

Pe -число Пекле;

D -коэффициент диффузии;

-скорость потока.

Поэтому, как правило, процесс сушки проводят при обдувании сушимого материала потоком нагретого воздуха (конвективная сушка). Однако при сушке мелкодисперсных порошкообразных материалов увеличение скорости ограничено тем, что при больших скоростях воздуха начинается унос частиц. Поэтому, как правило, процесс сушки проводят при обдувании сушимого материала потоком нагретого воздуха (конвективная сушка). Однако при сушке мелкодисперсных порошкообразных материалов увеличение скорости ограничено тем, что при больших скоростях воздуха начинается унос частиц. Кроме того, при сушке многих химических продуктов, биологических объектов, удобрений, нельзя проводить сушку при повышенных температурах, так как вещества либо разлагаются, либо теряют свои важнейшие свойства. (фармацевтические характеристики лекарственных препаратов, биологическая активность семян и т.п.).

2.2 Теоретическое обоснование акустической сушки

Из рассмотренного механизма сушки следует, что существует другой способ изменения величины диффузионного пограничного слоя -это акустическое воздействие, т.е. сушка материала в поле акустических или ультразвуковых колебаний высокой интенсивности. Толщина гидродинамического пограничного слоя определяется числом Рейнольдса:

	(2.4),

где -коэффициент кинематической вязкости.

В акустическом поле толщина зависимости от частоты звука :

	(2.5),

Толщина гидродинамического пограничного слоя в акустическом поле может быть существенно снижена по сравнению с толщиной в реально применяемых скоростях потоков.

При обдувании тела потоком воздуха толщина гидродинамического и диффузионного пограничных слоев приблизительно одинаковы.

В акустическом поле гидродинамический пограничный слой может быть существенно меньше диффузионного. Это значит, что звуковые колебания проникают внутрь диффузионного слоя, турбулизируют его и тем самым ускоряют процесс испарения.

Механизмы ультразвуковой сушки очень сложны. Но очевидно, действующими факторами являются:

1. Уменьшение вязкости жидкости под действием акустических (УЗ) колебаний, способствующее ускоренному перемещению влаги по капиллярам из глубины тела на поверхность.

2. Выдавливание влаги из капилляров кавитационными пузырьками газа, возникающими и колеблющимися в жидкости, под действием УЗ колебаний.

3. Радиационное давление, направленное в капиллярах из жидкости в газ, перемещает столбик жидкости капилляра, перемещая его к поверхности (звукокапилярный эффект).

Сушка в акустическом и ультразвуковом поле происходит без существенного прогрева материала. Именно поэтому это единственный способ сушки термочувствительных и легко окисляющихся материалов.

Анализ теоретических и экспериментальных работ по вопросам акустической сушки показывает, что процесс в первый период определяется в основном скоростью акустических течений, возникающих у поверхности обрабатываемого материала.

Особенностью этих течений является малая толщина пограничного слоя (50-100 мкм), в результате чего акустические течения значительно эффективнее обычного воздушного потока. В этот период наиболее эффективными являются низкочастотные акустические колебания.

Во второй период процесс интенсифицируется в результате нагрева, обусловленного поглощением звука в порах и капиллярах материала, радиус которых больше толщины пограничного слоя.

При сушке материала в слое возможен нагрев обрабатываемого продукта на 20-40° С (в зависимости от уровня звукового давления), однако этого можно избежать, применяя метод взвешенного слоя или пневмотранспортные сушилки. В этом случае наиболее эффективными являются акустические колебания высокой частоты (ультразвуковые колебания).

Кроме того, обработка материала акустическими колебаниями высокой интенсивности благоприятно сказывается на физико-химических и потребительских свойствах высушиваемого материала. Удаление влаги происходит практически без нагревания материала (такая сушка не разрушает ценные биологические вещества в продуктах питания, травах и т.п.).

1. Скорость сушки, по сравнению с известными и используемыми на практике способами сушки, выше в 2-5 раз. Например, при сушке ферментов (разрушающихся при температуре в 40 °С) в акустическом поле, скорость сушки в сравнении с вакуумным методом повышается в 3-4 раза.

2. Акустическая сушка позволяет добиться значительного сокращения энергетических затрат.

Особенности акустической сушки:

1. Существует нижняя граница интенсивности акустических колебаний (порядка 140-150 Дб), при которой происходит резкая интенсификация процесса сушки в акустическом поле.

2. Отсутствует зависимость скорости сушки от частоты акустических колебаний в диапазоне от 2 до 25 кГц.

3. Наиболее эффективна акустическая сушка для тонких слоев (порядка 2-20 см).

4. Наряду с уменьшением пограничного слоя, акустическая сушка обладает еще одним преимуществом: на втором этапе сушки акустические колебания проникают в материал и создают в нем быстро сменяющиеся зоны повышенного и разряженного давления.

5. Скорость акустической сушки тем выше, чем выше интенсивность ультразвукового воздействия на высушиваемый материал, однако к.п.д. ультразвуковых излучателей не высок и, следовательно, наращивание интенсивности за счет увеличения мощности излучателя снижает экономический эффект способа. В настоящее время вновь проявляется повышенный интерес к созданию акустических сушилок. Проведенный патентный поиск, позволяет установить наличие исследований и разработок (в основном за рубежом -Америка, Финляндия и Испания).

В последние годы начинается интенсивное патентование работ зарубежных авторов и фирм в нашей стране. Особенно активны финны и испанцы.

К сожалению, все работы не несут большой оригинальности и представляют собой попытки практической реализации теоретических исследований, проводившихся у нас в 70 годы.

Что же происходит в нашей стране?

Свидетельством интереса к проблемам акустической сушки может служить появление информации об возобновление исследований в различных организациях и все чаще выдвигаемые предложения по организации работ от различных предприятий. Анализируя сегодняшнее положение в области технологии акустической сушки, можно выделить следующие характерные для большинства сушилок недостатки.

1. Неэффективное использование энергии акустических колебаний, создаваемых в технологическом объеме при помощи газоструйного преобразователя, обусловленное тем, что акустическое воздействие осуществляется вдоль поверхности высушиваемого материала. Хотя известно, что максимальная эффективность акустического воздействия обеспечивается при перпендикулярном воздействии.

По этой причине снижается эффективность сушки глубоких слоев материала и возникает необходимость размещения высушиваемого материала в тонких слоях.

2. Неравномерное высушивание материала, обусловленное различной удаленностью участков высушиваемого материала от источника ультразвуковых колебаний. Известно, что процесс сушки ускоряется лишь при высоких уровнях звукового давления и существует "критический уровень звукового давления", до которого ультразвуковая сушка ничем не отличается от обычной конвективной сушки (от 140 до 150 дб).

По этой причине возникает необходимость обеспечения достаточной для эффективной сушки интенсивности колебаний (более 150 дб ) на самых удаленных участках сушилки.

Это может обеспечиваться только увеличением интенсивности излучаемых газоструйным излучателем колебаний (более 150…170 дб), что технически реализуется очень сложно, требует специальных мер защиты обслуживающего персонала от акустических колебаний.

3. Нерациональное использование энергии акустических колебаний в существующих сушилках объясняется отсутствием концентрация акустической энергии на высушиваемом материале. Энергия от газоструйного преобразователя (излучателя) распространяется равномерно по всему объему сушильной камеры и не концентрируется на высушиваемом материале. Многократные отражения от стенок сушильной камеры приводят к появлению стоячих волн.

В процессе сушки, в объеме сушилки и на поверхности высушиваемого материала появляются участки с различной интенсивностью акустического воздействия. На некоторых участках интенсивность может быть меньше "критического уровня", что приводит к неравномерности сушки и снижению качества высушиваемого материала.

4. Возможность недопустимого для различных материалов поверхностного нагрева, обусловленная формированием высушенного поверхностного слоя ("поверхностной корки"), особенно той части высушиваемого материала, которая располагается вблизи источника ультразвуковых колебаний.

Все вышеперечисленные недостатки снижают эффективность акустической (ультразвуковой) сушки, обуславливают снижение производительности технологической операции сушки капиллярно-пористых материалов, а в некоторых случаях делают его экономически невыгодным или практически недопустимым (из-за возможного поверхностного нагрева).

Целесообразность возврата к решению проблемы. Ситуация в акустической и ультразвуковой технике за последние годы изменилась кардинальным образом.

С одной стороны изменению ситуации способствовало решение ряда научно-технических проблем по созданию новых конструкций акустических и ультразвуковых излучателей, применению новых материалов, созданию высокоэффективных малогабаритных источников сжатого газа.

С другой стороны -необходимость создания малогабаритных акустических сушилок обусловлена появлением большого числа малых предприятий, перерабатывающих сельскохозяйственную продукцию, фармацевтических предприятий, работающих с растительным сырьем.

Очевидно, что массовое внедрение мобильных, малогабаритных сушилок позволит приблизить перерабатывающую сферу к производственной и значительно повысить рентабельность производства. Кроме того, во многих случаях, обработка материала акустическими колебаниями высокой интенсивности благоприятно сказывается на физико-химических и потребительских свойствах высушиваемого материала (например, сохраняет вкусовые качества сельскохозяйственной продукции, увеличивает всхожесть семян и др.).

Повышение эффективности акустической сушки. К сожалению очевидно, что эффективность ультразвуковой сушилки на всегда является достаточной и может быть можно существенно увеличена за счет комбинирования акустического способа сушки с какими либо другими способами. сушильный акустический вакуумный тыква

Исследование существующих способов повышения эффективности акустической сушилки позволил предложить в дополнение к акустическому воздействию использовать метод " вакуумного удара". Поэтому, было предложено в анализируемой сушилке, акустическое воздействие чередовать с вакуумными импульсами, заключающимися в резком снижении давления в объеме с высушиваемом материале.

Проведенные исследования позволили установить, что резкое снижение давления вокруг материала приводит к возникновению дополнительной движущей силы сушки -нерелаксируемому градиенту общего давления.

В результате падения давления происходит бурное парообразование по всему объему высушиваемого материала, и формирующийся молярный поток выносит из материала вместе с паром и часть влаги в жидкой фазе.

Таким образом, механизм сушки оказывается аналогичным механическому обезвоживанию посредством прессования или центрифугирования. Использование вакуумных ударов обеспечивает как интенсификацию процесса, так и значительную экономию энергии. Действительно, так как значительная часть жидкости удаляется из материала в жидкой фазе без испарения, то не тратится энергия на фазовое превращение.

Технически резкий перепад давления организуется следующим образом. С использованием вакуумного насоса понижается до заданного значения давление в большем объеме 2. Затем объем 1 разгерметизируют и давления в объемах 1 и 2 выравнивается в течение короткого интервала времени и в связи с тем, что объем 2 значительно превышает объем 1, высушиваемый материал подвергается резкому перепаду давления.

Связь между первоначальными давлениями в объемах и в суммарном объеме может быть найдено из уравнений Менделеева -Клапейрона, записанных для объемов и определяется следующей зависимостью:

	(2.6), где

P₁₂ -суммарное для объемов 1 и 2 остаточное давление;

P₁ -давление в объеме 1;

P₂-давление в объеме 2;

V₁-объем 1;

V₂ -объем 2.

Таким образом, достижение требуемого остаточного давления может обеспечиваться либо регулировкой глубины вакуумирования в объеме 1 (P₁), либо варьированием отношения объемов камер 1 и 2, так как .

Основные параметрические показатели сброса давления (начальное давление, остаточное давление, продолжительность сброса) могут широко варьироваться в зависимости от физико-химических свойств объекта сушки.

2.3 Преимущества и особенности акустической сушки

Премуществам являются, удаление влаги происходит практически без нагревания материала (такая сушка не разрушает ценные биологические вещества в продуктах питания, травах и т.п.) и скорость сушки, по сравнению с известными и используемыми на практике способами сушки, выше в 2-5 раз. Например, при сушке ферментов (разрушающихся при температуре в 40 °С) в акустическом поле, скорость сушки в сравнении с вакуумным методом повышается в 3-4 раза. Акустическая сушка позволяет добиться значительного сокращения энергетических затрат.

Существует нижняя граница интенсивности акустических колебаний (порядка 140-150 Дб), при которой происходит резкая интенсификация процесса сушки в акустическом поле.

1. Отсутствует зависимость скорости сушки от частоты акустических колебаний в диапазоне от 2 до 25 кГц.

2. Наиболее эффективна акустическая сушка для тонких слоев (порядка 2-20 см).

3. Наряду с уменьшением пограничного слоя, акустическая сушка обладает еще одним преимуществом: на втором этапе сушки акустические колебания проникают в материал и создают в нем быстро сменяющиеся зоны повышенного и разряженного давления.

4. Скорость акустической сушки тем выше, чем выше интенсивность ультразвукового воздействия на высушиваемый материал, однако к.п.д. ультразвуковых излучателей не высок и, следовательно, наращивание интенсивности за счет увеличения мощности излучателя снижает экономический эффект способа.

Свидетельством интереса к проблемам акустической сушки может служить появление информации об возобновление исследований в различных организациях и все чаще выдвигаемые предложения по организации работ от различных предприятий (Для примера, выдержка из рекламного предложения института Теоретической и прикладной механики СО РАН, г. Новосибирск).

"В настоящее время Институт ищет партнеров для организации производства акустических сушилок. Первый этап -проектирование, изготовление и отладка опытно-промышленного образца. Все расходы по реализации первого этапа (10-15 тыс. долларов, срок 6-8 месяцев) должен взять на себя партнер ---http:/itam.nsc.ru/win/patent/susnhka.html ").

Эта, наиболее широко рекламируемая сегодня работа представляет собой классическое решение проблемы (газоструйный излучатель и формирование тонких слоев продукта сетками).

Почему же до сих пор не было создано столь эффективных устройств, почему акустический способ сушки не получил широкого распространения и имеющиеся отечественные и зарубежные сушилки не вышли за пределы лабораторий?

Причин тому несколько.

Принято считать, что основная проблема, ограничивающая применение акустических сушилок обусловлена высокой стоимостью звуковой энергии.

Действительно, все акустические и ультразвуковые преобразователи, используемые в акустических сушилках (для излучения в газовые среды), обладают сравнительно низким к. п. д. В частности, мощные газоструйные излучатели имеют к.п.д. менее 25%. Учитывая довольно малую эффективность компрессоров, обеспечивающих излучатели сжатым газом (не более 75%), очевидно, что стоимость акустической энергии весьма высока.

Поэтому целесообразность применения резонансных газоструйных излучателей упирается, главным образом, в их недостаточную экономичность, и становится очевидной необходимость как совершенствования газоструйных излучателей, так и поиска новых источников акустической (ультразвуковой) энергии.

Вторая проблема заключается в том, что ультразвуковые сушилки развивались только применительно к решению проблем крупных серийных производств, а мелкосерийное применение ультразвуковых технологий до настоящего времени практически не рассматривалось. Поэтому никогда не ставились задачи создания малогабаритных, передвижных акустических сушилок.

2.4 Перспективы реализации акустической сушки

Перспективы практической реализации акустической сушки связаны с необходимостью достижения некоторых параметров, без которых не возможно достижение требуемой эффективности акустической сушки.

Что же может сегодня позволить создать акустическую сушилку, достаточно эффективную и пригодную для практического использования.

1. В первую очередь, это решение вопроса по созданию высокоэффективного источника акустической энергии. И в этом направлении возможны несколько путей.

а) Совершенствование существующих и создание новых конструкций газоструйных излучателей наиболее эффективным будет применение многорезонансных газоструйных излучателей с широкой полосой излучаемых акустических колебаний (А.С. №1789301, 1993, Широкополосные ультразвуковые газоструйные излучатели. НТ сборник "Передовой производственный опыт". -М.: 1991, №6, с.25-27.).

б) Решение проблемы согласования пьезоэлектрических преобразователей с газовой средой (т.е., применение высокоэффективных пьезоэлектрических колебательных систем, питаемых от электронных генераторов), и создание ультразвуковых сушилок, в которых будет обеспечена высокая интенсивность ультразвуковой энергии (10-20 Вт/см²) при минимальных экономических затратах по А.С. №1295333, 1987, Патентам РФ №2141386, №2059239, 1996. При прочих равных условиях пьезоэлектрические преобразователи, питаемые от электронных генераторов, предпочтительнее ввиду их долговечности и предсказуемости параметров. Однако, их кпд будет ниже чем у газоструйных, и при принятии решения о необходимости проведения работ с пьезоэлектрическими преобразователями и созданием на их основе колебательных систем, необходимо разработать специализированные электронные генераторы.

2. Вторая проблема заключается в создании рациональных конструкций. Под рациональной конструкцией понимается конструктивная схема сушилки, в которой акустическая энергии используется с максимальной эффективностью. Анализ разработанных ранее конструктивных схем акустических сушилок (барабанная, туннельная, вибрационно -транспортерная) свидетельствует о нерациональном использовании акустической энергии. Необходимо предложить и разработать конструкции, в которых высушиваемый материал находился бы длительное время в зоне максимальной интенсивности, и, желательно, сфокусированных ультразвуковых колебаний.

3. Следующие проблемы являются уже дополнительными и их решение поможет обеспечить требуемую эффективность сушки при создании практических конструкций.

-применение акустической сушки в сочетании с такими методами, как высокочастотный, инфракрасный, конвективный или другой, может привести к существенному повышению производительности применяемого оборудования.

-создание системы непрерывного контроля и управления процессом сушки (контроль интенсивности ультразвука, влажности высушиваемого материала, работы всего оборудования)

-создание системы акустической защиты обслуживающего персонала (со 170 дБ снизить излучение до допустимых 80 дБ). При этом возникает необходимость в расчете и создании специальных резонансных поглотителей. Должна быть разработана система контроля излучения на поверхности сушилки и автоматическое выключение при отказе акустической защиты.

Выводы по2 главе

В данной главе рассмотрена математическая описания процесса сушки в акустическом поле. Определен механизм воздействия акустических колебаний. Расчеты показывает, что во время сушки продуктов снижение давления вокруг материала приводит к возникновению дополнительной движущей силы.

В результате падения давления происходит парообразование по всему объему высушиваемого материала, и формирующийся молярный поток выносит из материала вместе с паром и часть влаги в жидкой фазе. Таким образом, механизм сушки оказывается аналогичным механическому обезвоживанию посредством прессования или центрифугирования. Использование акустической сушки обеспечивает как интенсификацию процесса, так и значительную экономию энергии. Действительно, так как значительная часть жидкости удаляется из материала в жидкой фазе без испарения, то не тратится энергия на фазовое превращение.

3. ЭКСПРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Описание экспериментальных установок для исследования процесса сушки плодов

Исследование процесса сушки плодов моркови и тыквы под воздействием акустического колебания звукового -диапазона проведено на экспериментальной установке, общий вид которой представлен на рис.3.1.

Установка состоит из рабочей камеры 1, калорифера 2, асилографа 3 для измерения интенсивности акустического излучения, усилитель звука 4.

Компьютер 5 работающей с контрольно -управляющим программой параметрами выходящего сигнала из акустического излучателя 6 который расположен верхнюю часть камеры и одновременная регистрация в программе “excel” влияние количеств факторов на продукт и их ежеминутных показания.

Постоянное измерение и автоматическая регистрация температуры продукта и рабочей среды в ходе предварительной обработки осуществляется электронными самопишущими потенциометрами 7 типа КСП-4 с первичными измерительными преобразователями в виде термопар и манометрическим термометром 8.

Чувствительные элементы и провода термопар защищены экранами и термоустойчивыми защитными оболочками и фарфоровыми чашками. Перед каждой серией опытов термопары градуировались путем термостатирования в диапазоне температур 0 3000С. Под камеры установки устанавливается веси 9 ВЛКТ-500М, предназначенные для измерения масса обрабатываемого материала. В камере акустический излучатель помещен так, что позволяет изменять расстояние с обрабатывающим продуктом.



Рис.3.1. Схема лабораторно-экспериментальной установки для предварительной обработки сырья: 1 - камера; 2 - калорифер; 3 - измеритель интенсивности АК излучения ассилограф; 4 -усилитель звука; 5 - компьютер; 6 -АК излучатель; 7-потенциометр КСП; 8 -манометрический термометр; 9 - весы ВЛКТ - 500;

Нагревательные устройства калорифера подключены к сети электропитания через ЛАТР, при помощи которого изменяется напряжение и, тем самым, регулируется температура и скорость входного воздуха. Для измерения напряжения и силы тока в сети установлены вольтметр и амперметр.

Для соблюдения норм техники безопасности, в схемах заземления всех контрольно-измерительных устройств предусмотрена блокировка, срабатывающая при открывании дверцы рабочей камеры, когда происходит автоматическое отключение всей установки.

Таким образом, лабораторная установка для предварительной обработки продукта с использованием АК-энергоподвода оснащена всей необходимой контрольно-измерительной и регулирующей аппаратурой. Это обеспечивает нам возможность изучать процессы внутреннего и внешнего тепло-и массообмена экспериментируюмого продукта.

3.1.1 Применение акустических колебаний для обработки продуктов и материалов

Целый ряд основных и вспомогательных технологических процессов пищевых производств можно интенсифицировать с сохранением высокого качества продукции с помощью акустических методов воздействия звукового и ультразвукового диапазона упругих колебаний.

Некоторые возможности применения акустических методов показаны ниже.

Процесс	Продукты, материалы производства
Получение эмульсий	Смесь компонентов эмульсий: жироводных, кондитерских, олеиновой кислоты и т. п.
Гомогенизация и диспергирование	Молоко, мороженое, шоколад, детское питание, томат-паста, майонез, соки, известковое молоко
Экстракция и диффузия	Хмель, душистые вещества, кофе и т. п.
Кристаллизация	Вино, виноградный сок
Сушка	Ферменты, гормоны, плесневые грибы, дрожжи, витамины Ликеры, вина, коньяки.
Созревание Клеровка Пеногашение	Сахарное производство В производствах сахара, дрожжей, ферментов, спирта и т. п. Колбасное производство
Охлаждение Распыление, в т. ч. в вакууме Мойка и очистка Предохранение от накипи и инкрустаций Дегазация	Сушка жидких продуктов, в том числе сублимационная Фигурная стеклотара, сильно загрязненная стеклотара, различные узлы оборудования и т. п. Теплообменная аппаратура: подогреватель, нагреватели, выпарные аппараты, котлы низкого давления и т. п.
Стерилизация Осветление Замораживание Увлажнение Сварка	Вина, вино материалы Молоко, консервы, фруктовые соки Вино, соки Молоко Зерно
Получение тонкодисперсных аэрозолей	Упаковка в полимерную тару всех видов продуктов, соединение пластмассовых деталей с металлическими и т. п. В сельском хозяйстве, в медицинских и ветеринарных целях

Акустические методы различаются техническими средствами генерации колебаний, причем низкочастотная техника в большинстве случаев отличается простотой, однако ее возможности не всегда достаточны для осуществления некоторых процессов. Ультразвуковая техника в случае электрической системы генерации более сложна, но имеет большие энергетические и соответственно технологические возможности.

3.1.2 Акустические характеристики пищевых продуктов и материалов

Основными характеристиками акустического поля являются: частота упругих колебаний, скорость звука, амплитуда, волновое или удельное акустическое сопротивление среды и их производные -звуковое давление, интенсивность (или сила) звука, колебательная скорость и ряд других (табл. -1).

Кроме того, в средах происходит поглощение энергии волны, ее отражение и преломление.

При воздействии на жидкие среды, как правило, достигается кавитационный режим обработки.

При воздействии на твердые изотропные тела в них могут возникнуть несколько форм упругой волны: продольные, поперечные, изгибные и ряд других.

Акустические колебания подразделяются на следующие диапазоны:

инфразвуковой 0-20 Гц;

звуковой 20 - 2*10⁴ Гц;

ультразвуковой 2*10⁴-- 10⁸ Гц;

гиперзвуковой >10⁸ Гц.

Источниками ультразвуковых колебаний являются различные колеблющиеся системы, преобразующие электрическую или механическую энергию в упругие колебания.

Гармонические колебания частиц в звуковой волне описываются уравнением

а = А Sin(t -- х/с),

где а -- смещение частицы относительно положения покоя, мкм; А -- амплитуда смещения, мкм: -- угловая частота, рад/с; t -- время, с; х -- расстояние частицы от излучающей поверхности, см; с -- скорость звука, см/с.

Дифференцированием уравнения (1) определяется амплитуда колебательной скорости U_т частиц и ускорения В_т:

где щ = 2рf -- угловая частота.

Распространение ультразвуковых волн не связано с переносом вещества; общая энергия волны равна сумме потенциальной и кинетической энергии.

где с -- плотность среды.

Относительно хорошо (в зависимости от частоты звука и вязкости среды) ультразвук распространяется в жидкостях и еще лучше--в твердых телах.

Основные параметры звукового поля бегущей волны в различных средах при разных значениях силы звука

	В воздухе при силе	В воде при силе звука,	В стали при силе
	звука, Вт/см2	Bт/см2	звука, Вт/см2
Параметры	0,1	1	10	0,1	1	10	0,1	1	10
Плотность энергии, Дж/м3	3,03	30,3	303,0	0,674	6,74	67,4	0,17	1,71	17,1
Звуковое давление р, МПа	0,00009	0,0029	0,0092	0,054	0,17	0,54	0,308	0,96	3,08
Давление излучения, Па	5,97	59,7	597,0	1,35	13,5	135,0	--	--	--
Колебательная скорость, см/с	216,5	685	2165	3,67	11,6	36,7	0,66	2,09	6,62
Амплитуда колебаний, А, мкм
при 20 кГц	17,2	54,5	172	0,29	0,92	2,92	0,053	0,166	0,527
при 200 кГц	1,7	54	17,2	0,03	0,09	0,29	0,005	0,017	0,053
при 2000 кГц	0,2	0,5	1,7	0,003	0,009	0,03	0,0005	0,002	0,005
Амплитуда ускорения, В, см/с2
при 20 кГц	2,7*107	8,6*107	2,7* 108	4,6*105	1,5*106	4,6*106	8,3*104	2,6*105	8,3*105
при 200 кГц	2,6*108	8,6*108	2,7*109	4,6*106	1,5*107	4,6*107	8,3*105	2,6*106	8,3*106
при 2000 кГц	2,7*109	8,6*109	2,7*1010	4,6*107	1,5*108	4,6*108	8,3*106	2,6*107	8,3*107

Произведение сс является удельным акустическим сопротивлением среды и основным параметром, характеризующим свойства среды по отношению к проходящей через нее волне:

сс = с/и,

где р -- эффективное значение звукового давления; и --колебательная скорость звука.

Для достижения эффекта обработки пищевых сред необходима определенная интенсивность звука (сила звука), характеризуемая как энергия звуковых колебаний, проходящая нормально к поверхности через единицу площади в 1 с. Интенсивность звука определяется формулой

Иногда, особенно для слышимых звуков, величина интенсивности I оценивается по отношению к величине предела слышимости человеческого уха, т.е. определяется уровень силы звука, который измеряется в децибелах (дБ). 1 дБ=10 lg(I/I_п), где I_п -- предел слышимости, равный 10^-12 Вт/м².

Давление р, который изображено в формуле определяет при невысокой интенсивности, т. е. интенсивности, недостаточной для кавитации жидкости, можно измерить с помощью пьезочувствительных датчиков. При высокой интенсивности мощность, излучаемая преобразователем, измеряется калориметрическим путем по величине нагрева обрабатываемой среды.

В ультразвуковом поле в жидкости при действии источника звука высокой интенсивности возникают сверхвысокие ускорения частиц и кавитация в жидкости

3.2 Массовлагообменные характеристики сельскохозяйственных продуктов

Значительная часть сельскохозяйственных продуктов подвергаемых сушке, являются влажными коллоидно-капиллярно-пористыми системами. Для определения рациональных режимов сушки используются изотермы сорбции и десорбции [1].

Исследованы изотермы десорбции тыквы в зависимости влияющих факторов. Определена конечная влажность исследуемого продукта, достигаемая при различных температурах и относительной влажности воздуха. Изучены формы связи влаги с продуктом.

Характер изотерм сорбции и десорбции зависит от вида связи влаги с материалом. В гигроскопической области связь влаги зависит от структуры и свойств материалов.

В процессе удаления влаги с изменением условий сушки, окружающей среды, температуры, давления и т.д. условия равновесия изменяются. При этом градиент влагосодержания в продукте и дисперсной среде обусловливает перенос влаги изнутри плода к ее поверхности и испарению в окружающую среду.

Закономерность переноса влаги в процессе сушки сельскохозяйственных продуктов определяется характером взаимодействия молекул воды с их структурой. Перемещение влаги в овощах обусловлено наличием в них градиента потенциала переноса. Следовательно, потенциал переноса охватывает явления переноса тепла и перемещения влаги, и величина переноса увязывается с энергией связи влаги с материалом. Необходимо подчеркнуть, что всякий перенос жидкости и пара во влажном материале происходит от высшего к низшему потенциалу.

Массообменные характеристики овощей определяет интенсивность переноса влаги, а теплофизические характеристики - интенсивность переноса тепла.

Таким образом, перенос тепла характеризуется градиентом температуры , потоком теплоты и коэффициентом температуропроводности , а перенос массы (влаги) определяется градиентом потенциала вещества (влагосодержания) , потоком массы (влаги)

,

коэффициентом массопереноса (диффузии влаги .

В работах ряда ученых [2,3] рассмотрены гигроскопические свойства различных видов плодоовощных культур.

Однако в настоящее время внедрение в производство современных нетрадиционных методов обработки и способов сушки овощей с получением новых продуктов требует исследования и математического описания гигроскопических свойств исследуемого материала.

Следует отметить, что сельскохозяйственные культуры, выращенные в Средней Азии, отличаются по свойствам и структуре от выращенных в других регионах.

В связи с чем при воздействии нетрадиционных методов переработки протекают процессы, которые приводят к изменению клеточной структуры овощных культур.

Поэтому для получения высококачественных сушеных продуктов, а также для длительного их хранения необходимо изучить массовлагообменные характеристики и гигроскопические свойства последних.

С целью определения равновесной влажности сельскохозяйственных продуктов проведены эксперименты в климатической камере “Фойтрон”.

При этом образцы находятся в потоке воздуха определенной влажности. Заданная концентрация паров воды обеспечивается серной кислотой различной концентрации.

После достижения равновесия образцы взвешиваются, и определяется их влагосодержание. Равновесие считалось достигнутым, если масса образца не изменялась на 0,0005 г.

Все точки изотермы снимали для одного и того же образца. Контроль и запись влажности воздуха осуществлялись в пределах от 10 до 70 %, а температура среды от 20 до 60 ^оС в камере регулируется автоматически. При этом погрешность измерения температуры камеры составляла 1⁰С. Постоянство температуры точки росы поддерживается с точностью 0,5⁰С.

В настоящее время отсутствует полностью разработанная теория, описывающая изотермы сорбции и десорбции, поэтому нельзя дать аналитического решения зависимости равновесного влагосодержания от относительной влажности воздуха для коллоидных капиллярно-пористых тел. В связи с этим значительный интерес представляют уравнения изотермы сорбции и десорбции, полученные путем математической обработки опытных данных.

Г.К.Филоненком предложено математические описание изотерм сорбции и десорбции, которые описываются уравнениями:

; ,

где а и в - коэффициенты, характеризующие вид материала

К и В - коэффициенты, определяющие зависимость равновесного влагосодержания от вида материала и температуры окружающей среды на соответствующих участках изотерм; и -равновесные параметры в точках сопряжения прямолинейного и криволинейного участков изотерм.

В реальной сушке, материала влага мономолекулярной адсорбцией не удаляется. Поэтому в нашем исследовании изотермы на участке переходе от мономолекулярной к полимолекулярной адсорбции не изучены.

Процесс изотермы десорбции изучены для продуктов на образцах тыквы и плодах абрикоса и персика.

Результаты проведенных исследований изотерм десорбции тыкву полученных при различной температуре (t=20-60⁰С) показаны на рис. 1. Из рис.1 видно, что для тыквы и большинства других сельскохозяйственных продуктов равновесное влагосодержание с повышением температуры уменьшается.

Судя по графикам, изотермы десорбции овощей имеют типичную для коллоидных капиллярно-пористых материалов - «S» образную форму.

В результате обработки опытных данных и на основе методики Г.К. Филоненко и А.И. Чуприна и с помощью программы «MATLAB» для математического описания процесса, отражающего связь между равновесной влажностью овощей, относительной влажностью воздуха и температурой, было получено уравнение изотермы десорбции:

.

Коэффициенты m и n определяются для каждого вида продукта, например для тыквы , .

В табл. 3.1 представлены данные равновесного влагосодержания сельскохозяйственных продуктов, полученные путём экспериментальных исследований

Таблица 3.1

Равновесное влагосодержание образцов сельскохозяйственных продуктов

Продукты	t , оС	Относительная влажность воздуха,
		20	30	40	50	60	70
Тыква	20 25 60	10,6 8,2 5,6	13,2 11,3 7,2	16,2 14 9,2	19,6 17,5 13,8	24,3 21,5 16,8	31,1 26,1 18,6
Лук	25	9,3	12,1	14,8	17,6	23,8	27,5
Персик	25 60	7,3 5,1	10,1 6,5	12,5 8,3	15,9 12,0	19,8 15,0	24,5 16,8
Дыня	25 60	10,8 8,3	15,7 11,8	17,1 14,6	19 16,4	22,1 20,8	26,7 24,3

Из результатов приведенных в табл. 1 видно, что для тыквы и других продуктов равновесное влагосодержание с повышением температуры уменьшается.

Однако, рядом исследованием нами было выяснено, что кривые изотерм не имеют четких границами перехода от одного состояния к другому. Примерно эта граница для тыквы и других продуктов в области гигроскопического состояния при комнатной температуре (t=20-25 ^оС) отражена в табл.3.1.

Таблица3. 2

Граница перехода изотерм сорбции

Образцы продуктов	Вид связи
	мономолекулярная адсорбция, %	Полимолекулярная адсорбция, %	Капиллярная связанная влага, %
Дыни	2	18	55 [3]
Лук	3,5	19	57
Тыква	4	16	51

Результаты исследования необходимы для практики сушки, так как позволяют:

-определить конечную влажность продуктов при различных температурах и относительной влажности воздуха, а также при различных способах обработки;

-изучить формы связи влаги с продуктом.

3.3 Исследование инфракрасного и акустического сушильного аппарата для интенсификации процесса сушки сельскохозяйственных продуктов

В данной разделе изложены, результаты исследований инфракрасно - акустической сушки. Разработана лабораторная сушильная установка для проведения экспериментов по сушке различных сельхозпродуктов, представлены результаты предварительных экспериментов по сушке тыквы. Для обеспечения оптимальной распределённости акустических волн в сушильной камере выбрана специальная форма отражателей, что позволяет сконцентрировать акустические волны по всей поверхности материала.

В настоящее время процесс переработки сельхозпродуктов является проблема увеличения срока хранения и сохранения ценных компонентов. В связи с этим процесс сушки является основным процессом в сельском хозяйстве. Известно, что сушка - заключительная стадия большинства технологических процессов, которая связана с получением готового продукта для его длительного хранения. В настоящее время наибольшее распространение получила конвективная сушка. Однако, конвективная сушка неразрывно связана с повышением температуры высушиваемых материалов, что в некоторых случаях приводит к потери ценных компонентов готового продукта.

Возможным вариантом для интенсификации процесса сушки плодов сельскохозяйственных культур является замена или дополнения к конвективному способу сушки акустическим воздействием. Предлагаемый способ акустической сушки имеет следующие достоинства: высокая интенсивность процесса, обеспечение качественной и эффективной сушки при низких температурах, а также действующие факторы -ускоренное перемещение влаги из глубины материала на поверхность, турбулизация и снижение толщины пограничного слоя, перепады давления над поверхностью, выдавливание влаги из капилляров [1].

Для исследования процесса акустической сушки абрикоса, моркови, тыквы и др. продуктов нами разработана экспериментальная установка (рис. 1). Установка состоит из корпуса 1, верхнего и нижнего отражателя 2, пода 3, АК-излучателя 4, механизма для вывода паро-воздушной смеси 5, станины 6, механизма для подачи воздуха 7, ИК-излучателя 8.

Для максимального отражения акустических волн на поверхности высушиваемого материала установлены отражатели, нижний и верхний отражатели установки изготовлены в тороидальной форме. Использование тороидальной формы отражателей для сушки позволяет сконцентрировать акустическое воздействие за счет многократных отражений на поверхности высушиваемого материала [2].

Ряд исследований показывает, что акустическая сушка является всегда приемлемым методом и можно существенно его улучшить за счет комбинирования акустического способа сушки с каким -либо другим способом [3]. Исследование существующих способов нам позволило предложить в дополнение к акустическому воздействию использование метода вместе с ИК-излучениями. Поэтому было предложено в анализируемой сушилке акустическое воздействие чередовать с ИК-излучениями импульсным воздействием, заключающимися в ускорение перемещения влаги с внутренних слоев материала на поверхность. Проведенные исследования позволили установить, что повышение давления внутри материала приводит к возникновению дополнительной движущей силы процесса сушки. В результате повышения давления происходит бурное парообразование по всему объёму материала, и образовавшийся молярный поток выдавливает влагу из капилляров. Таким образом, ИК-импульсное воздействие обеспечивает, как интенсификацию процесса, так и значительную экономию энергии. Для подтверждения эффективности ИК-АК сушки и определения их функциональных возможностей проведен ряд исследований.

Предлагаемая камера сушильной установки выполнена в виде цилиндра (рис.1), в центре камеры установлен дисковой излучатель, ИК-излучатели расположены под углом 45⁰ .

Рис. 3.1. Инфракрасно-акустическая сушильная установка

Мощность дисковых излучателей составляет 200 Вт, частота 22000 Гц, мощность ИК - излучателя 500 Вт. Непосредственно перед проведением опытов, связанных с исследованием инфракрасно-акустической сушки, были проведены измерения распределения звукового давления внутри сушильной камеры. При проведении экспериментальных исследований в ИК-АК поле высушиваемый материал размещался на сетчатом поде на расстоянии 300 мм от излучателей. Интенсивность излучения над поверхностью пода составляла 155 дБ. Температура в сушильной камере 40-45⁰С, длина волны ИК-излучения 2,8 мкм. Для проведения экспериментов была взята тыква нарезанная в форме кубиков с толщиной 2ч4 мм. Начальная влажность тыквы составляла 76%. Кривые изменения влагосодержания и скорости сушки тыквы представлены на графиках 2 а,б.

Из графика 3.2 а видно, что в течение 160 мин влажность материала при толщине материала 4 мм уменьшалась с 76 до 25%., а при толщине 2 мм конечная влажность составляла 18%. Однако, применение только ИК сушки по истечении некоторого времени после начала процесса поверхность материала покрывается тонкой сухой корочкой, что замедляет удаление влаги, а применение комбинированной ИК-АК сушки позволяет на поверхности материала появлению микротрещин, что увеличивает скорость сушки рис.3.2 б.

По полученным данным было проведено сравнение ИК-АК сушки с тепловой сушкой. КПД аппарата составляет 60%, излучаемая акустическая мощность рассчитывалась по следующей формуле . Мощность ИК-излучателей 500 Вт, КПД излучателя 40% .

Мощность тепловой сушилки 1000Вт [1]. Время ИК-АК сушки 160 мин, а тепловой сушки 50 мин.

Эффективность рассчитывалась согласно следующей формуле:

(1)

где N - излучаемая мощность, t-общее время сушки, m-масса удалённой влаги.

Рис.3.2а. Кривые сушки тыквы при различных толщинах слоя

Рис.3.2б. Кривая скорость сушки тыквы

1-при толщине слоя 4мм; 2-при толщине слоя 2мм;

Таким образом согласно формуле (1) показатель эффективности для ИК-АК сушки составил: , а для тепловой сушки: . Предлагаемый способ ИК-АК сушки эффективен чем тепловая в 2,2 раза.

Подводя итоги, можно сделать следующие выводы:

-для сушки плодов сельскохозяйственных культур необходимо использовать комбинированные сушилки (инфракрасно - акустические) с оптимальным соотношением доли инфракрасной и акустической энергии;

-разработана и изготовлена лабораторная установка инфракрасно-акустической сушильной камеры цилиндрической формы;

-с уменьшением толщины пограничного слоя предлагаемый метод сушки обладает важным преимуществом -колебания проникают в материал и создают в нем быстро сменяющиеся зоны повышенного и пониженного давления, что интенсифицирует процесс переноса влаги из глубинных слоев к поверхности во второй зоне сушки.

Выводи по 3 главе

На основе экспериментальных данных исследовано процесс сушки тыквы в АК поле. Определено оптимальные параметры влияющих факторов.

По результатам исследований, видно что наиболее эффективная сушка осуществляется для тонких слоев (порядка 2-мм). Наряду с уменьшением толщины пограничного слоя, предлагаемый метод сушки обладает еще одним важным преимуществом -колебания проникают в материал и создают в нем быстро сменяющиеся зоны повышенного и пониженного давления, что интенсифицирует процессы переноса влаги из глубинных слоев к поверхности. Скорость сушки по сравнению с известными и используемыми на практике способами выше в 2 - 5 раз. Акустическая сушка позволяет значительно сократить энергетические затраты.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Применение ультразвукавысокой интенсивности в промышленности / В.Н. Хмелев, А.Н. Сливин, Р.В. Барсуков; Алт.гос.техн.ун-т, БТИ.-Бийск: Издательство Алт.гос.техн.ун-та,2010.-203с.

2. Джураев Х.Ф., Хабибов Ф.Ю, Абдурахмонов О.Р., Массовлагообменные характеристики сельскохозяйственных продуктов.//Ж. «Научная жизнь», М.:2012, №2-С.128-132.

3.Устройство для сушки капиллярно - пористых сыпучих материалов[Текст]:пат.20957.Российская Федерация: МПК⁶ F26B17/12/ В.Н. Глазнев; заявитель и патентообладатель Институт теоретической и прикладной механики СО РАН.-№95107580; заявл.11.05.95; опуб.10.11.97.