Диссертация Хазимов Канат Мухатович

Казахский национальный аграрный университет
УДК 631.172; 631.155.2:635.1/7
На правах рукописи
ХАЗИМОВ КАНАТ МУХАТОВИЧ
Интенсификация процесса сушки продуктов растительного
происхождения с использованием солнечной энергии
6D080600 - Аграрная техника и технология
Диссертация на соискание ученой степени
доктора философии (PhD)
Научные консультанты
Хазимов М. Ж. к.т.н., профессор
Бора Г.Ч., PhD., профессор
Республика Казахстан
Алматы, 2015
1
СОДЕРЖАНИЕ
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
2
2.1
2.1.1
2.1.2
2.1.3
2.2
2.2.1
2.2.2
3
3.1
3.2
3.3
3.4
3.4.1
3.5
3.6
НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ……………………………………...
ОПРЕДЕЛЕНИЯ…………………………………………………….
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ…………………………….
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………….
АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СОСТОЯНИЯ
ПРОИЗВОДСТВА ПЛОДООВОЩНОЙ ПРОДУКЦИИ
В РЕСПУБЛИКЕ И СУШКИ
ПРОДУКТОВ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ……
Состояние производства плодоовощной продукции
в Республике Казахстан……………………………………………...
Роль сушеных плодов и овощей в питании человека……..…….....
Сушествующие способы сушки продуктов
растительного происхождения ..........................................................
Технические средства для получения сушеных продуктов
растительного происхождения……………………………………...
Особенности использования солнечной энергии
для получения сушеных продуктов растительного
происхождения ……...………………………....................................
Постановка задач исследований……………………………………
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА
ПРОЦЕСС СУШКИ ПРОДУКТОВ РАСТИТЕЛЬНОГО
ПРОИСХОЖДЕНИЯ………………………………………………
Программа и методика исследований………………………………
Плотность исследуемого материала………………………………..
Определение углов и коэффициентов трения……………………..
Определение теплофизических свойств……………………………
Результаты исследования……………………………………………
Углы и коэффициенты трения…………………………….………...
Теплофизические свойства………………………………………….
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К ОБОСНОВАНИЮ
РАБОЧЕГО
ПРОЦЕССА
И
КОНСТРУКТИВНЫХ
ПАРАМЕТРОВ ГЕЛИОСУШИЛКИ…...………………….…….
Дифференциальные уравнения тепло и массообмена…….……...
Моделирование движения сушильного
агента в гелиосушилке тоннельного типа……………….…………
Конструкция гелиосушилки………………………….……………..
Процесс тепломассообмена в сушильной камере
гелиосушилки …….……………………………………………….. ...
Материальный и тепловой баланс гелиосушки
для сушки фруктов и овощей……………………………….............
Численное решение уравнений Навье-Стокса для
несжимаемой вязкой жидкости..........................................................
Постановка задачи и основные
2
5
6
7
8
13
13
20
21
25
29
40
44
44
45
46
49
53
53
55
61
61
62
70
71
72
77
3.7
3.8
3.9
4
4.1
4.2
4.2.1
4.2.2
4.2.3
4.2.4
4.2.5
4.2.6
4.2.7
4.3
4.3.1
4.3.2
4.3.3
4.3.4
4.3.5
4.3.6
4.3.7
5
дифференциальные соотношения…………………………………..
Алгоритмы решения задачи……………...…………………………..
Результаты численных расчетов и их обсуждение……………….
Обоснование геометрических параметров сушилки.........................
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
НА ЛАБОРАТОРНЫХ УСТАНОВКАХ……………………….
Программа лабораторных исследований………………..………......
Методика проведения лабораторных исследований…………..……
Оценка влияния конструктивных материалов
сушилки на степень нагрева сушильного агента…………………..
Исследование темпа нагревания
теплоаккумулирующих материалов …..…………………………....
Определение среднего значения скорости
воздуха на входе камеры сушилки……………………………….…
Определение расхода отработанного теплоносителя
при выходе из камеры сушилки…………...………........…………..
Определение изменения температурной зоны
внутри камеры сушилки от изменения расхода
теплоносителя………………………………………………………...
Исследование изменения влагосодержания
растительных продуктов от временно-температурных
параметров процесса сушки…………………………………………
Исследование изменения влагосодержания
растительных продуктов в зависимости от обработки,
размера и формы нарезки материала………………………………..
Результаты исследований……………………………………………
Оценка влияния конструктивных материалов
сушилки на степень нагрева сушильного агента…………………..
Исследование темпа нагревания
теплоаккумулирующих материалов …..…………………………...
Среднее значение скорости
воздуха на входе камеры сушилки………………………………….
Расхода отработанного
теплоносителя из камеры сушилки…………………………………
Значения температурных зон внутри
камеры сушилки от изменения расхода теплоносителя….………..
Изменение влагосодержания
растительных продуктов, от временнотемпературных параметров установки…………………………….
Изменения влагосодержания
растительных продуктов в зависимости от обработки,
размера и формы нарезки материала……………………………….
ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ
РАЗРАБОТАННОЙ ГЕЛИОСУШИЛКИ
И ЕЕ ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ.......................
3
79
81
87
91
96
96
97
97
99
100
102
104
107
110
111
111
113
115
116
117
120
121
127
5.1
5.2
5.2.1
5.2.2
5.2.3
5.3
5.3.1
5.3.2
5.3.3
5.4
Программа испытаний гелисушилки.................................................
Методика проведения производственных испытаний…………….
Исследование кинетики сушки в процессе работы сушилки….….
Выявление рациональных технологических
режимов работы предлагаемой сушилки………………..………….
Исследование по оценке качества сушенных продуктов.................
Результаты производственных испытаний........................................
Исследование кинетики сушки в процессе работы сушилки…...…
Выявление рациональных технологических
режимов работы предлагаемой сушилки……….…………………...
Исследование качества сушенных продуктов и ее оценка...............
Экономическая эффективность
разработанной гелиосушилке………………………………………...
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………...…
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ……..………
ПРИЛОЖЕНИЕ А – Инновационные патенты…………………
ПРИЛОЖЕНИЕ Б – Шаровой бикалориметр…………………….
ПРИЛОЖЕНИЕ В – Описание интерфейса и текста программы.
ПРИЛОЖЕНИЕ Г – Текст программы расчета агента…………..
ПРИЛОЖЕНИЕ Д – Зависимости чисел Рейнольдса......………..
ПРИЛОЖЕНИЕ Е – Теплоаккумулирующие материалы..............
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж – Характеристики приборов..….……….........
ПРИЛОЖЕНИЕ И – Текст программы эксперимента………...…
ПРИЛОЖЕНИЕ К – Плотность сухого воздуха………………….
ПРИЛОЖЕНИЕ Л – Акт испытания…………………………...….
ПРИЛОЖЕНИЕ М – Рекомендация................................................
ПРИЛОЖЕНИЕ Н – Акты внедрения………..……………………
4
127
128
128
131
132
133
133
135
137
138
142
144
151
164
166
170
179
186
188
190
193
194
196
199
НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ
В настоящей диссертации использованы ссылки на следующие
стандарты:
ГОСТ 15875-80 – Светопропускание;
ГОСТ 13496.3-80 – Методы определения влажности;
ГОСТ 10856-96 – Метод определения влажности;
ГОСТ 12.3.018 – 79 - Системы вентиляционные методы аэродинамических
испытаний;
ГОСТ 7076-99. – Метод определения теплопроводности и термического
сопротивления при стационарном тепловом режиме;
ГОСТ Р ЕН 29053-2008 – Методы определения сопротивления продуванию
потоком воздуха;
ГОСТ Р 52622-2006 – Овощи сушеные. Общие технические условия;
ГОСТ 28561-90 – Продукты переработки плодов и овощей. Методы
определения сухих веществ и влаги;
ГОСТ Р 29270-95 – Продукты переработки плодов и овощей. Методы
определения нитратов;
ГОСТ 1750-86. – Фрукты сушеные. Правила приемки, методы отбора проб
и испытаний;
ГОСТ 13341.1-77. – Овощи сушеные. Правила приемки, методы отбора и
подготовки проб;
ГОСТ 2.105-95. – Единая система конструкторской документации.
5
ОПРЕДЕЛЕНИЯ
В настоящей диссертации применяют следующие термины с
соответствующими определениями:
Влажность – показатель содержания воды в физических телах или средах;
Гелиосушилка – это устройство для сушки сельскохозяйственной
продукции, при помощи солнечной энергии;
Конвекция – вид теплопередачи, при котором внутренняя энергия
передается струями и потоками;
Пассивная зона- это подповерхностное расстояние в объекте контроля в
котором дефекты заданного размера не могут быть выявлены;
Относительная влажность – отношение парцианального давления паров
воды в газе к равновестному давлению насыщенных паров при данной
температуре;
Посевная площадь – это участки пахотных земель, занятые под посев
разнообразных сельскохозяйственных культур;
Полиэтиленовая пленка — тонкий слой материи, изготовленный из
полиэтилена;
Растительное сырьё – свежие, очищенные или отмытые от земли,
освобождённые от других частей растения, собранные ранней весной или
поздней осенью корни;
Теплогенератор – посредственного получения нагретого теплоносителя в
процессе сжигания различных видов топлива;
Термопара
– термоэлектрический преобразователь,
устройство
применяемое в основном для измерения температуры;
Теплоноситель — жидкое или газообразное вещество, применяемое для
передачи тепловой энергии;
Термочувствительность – это свойство химического соединения
отзываться на изменение температурных условий окружающей среды;
Трение – процесс взаимодействия тел при их относительном движении
тела в газообразной или жидкой среде;
Теплоемкость – количество теплоты, затрачиваемое для изменения
температуры на один градус Цельсия.
Тепловой аккумулятор – устройство для накопления тепла с целью его
дальнейшего накопления;
Удельный вес – физическая величина, которая определяется как
отношение веса вещества к занимаемому им объёму;
Энтальпия – термодинамическое свойство вещества, которое указывает
уровень энергии, сохраненной в его молекулярной структуре;
Эксперимент – метод исследования некоторого явления в управляемых
условиях.
6
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАШЕНИЯ
США –
МОН РК –
КГСУ –
СРСУ –
СНГ–
КПД –
ЛАТР –
%–
кг –
тыс –
С° –
мкм –
кВт·ч–
Вт –
м2 –
м3 –
m–
V–
К–
W–
1, 2 –
T–
τ –
–
v–
Gr –
Nu –
Re –
Sh –
Pr –
c–
 –
∝–
Рс,Рд –
Q–
k–
F–
△𝑝–
Rп –
ΔТ –
Соединенные Штаты Америки;
Министерство образования и науки Республики Казахстан
конвективные гелиосушильные установки;
солнечные радиационные сушильные установки;
Содружество Независимых Государств;
коэффициент полезного действия;
лабораторный автотрансформатор;
процент;
килограмм;
тысяч;
градус Цельсия;
микрометр;
киловатт·час;
ватт;
квадратный метр;
метр кубический;
масса, кг;
объем, м3;
Кельвин;
влажность, %;
влажность продукции до, и после сушки, %;
температура, К;
время, с
плотность, кг/м3;
скорость воздуха, м/с;
число Грасгофа;
число Нуссельта;
число Рейнольдса;
число Струхала;
число Прандтля;
теплоемкость, Дж/кг* оС;
теплопроводность Bт/(м2*C);
температуропроводность м2/с
сила нормального давления, Н;
тепловой поток, Вт;
коэффициент теплопередачи, кВт/(м2 ·К);
площадь поперечного сечения на измеряемом участке, м2 ;
динамическое давление, Па;
сопротивление теплопередаче соответствующего типа
пленки, м2·К/Вт;
разность температур, К.
7
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность исследования
Производство плодов и ягод в Республике Казахстан почти в два раза ниже
общемировых норм потребления. Фактическое потребление этих культур в
разные годы менялось в зависимости от соотношения экспорта и импорта, но
всегда находилось ниже норм потребления. В большинстве случаях это можно
объяснить их сложностью в технологии хранения полученного урожая.
Тема диссертации напрямую связана с Концепцией по переходу
Республики Казахстан к «Зеленой экономике», утвержденной Указом
Президента Республики Казахстан Н.А Назарбаевым № 577 от 30 мая 2013 г
[1].
Фрукты и овощи как правило, содержат до 90% воды, 9,5% различных
органических соединений и 0,5% минеральных веществ. Высокое содержание
влаги приводит к тому, что фрукты и овощи легко поражаются
фитопатогенными микроорганизмами, и сохранность урожая является сложной
организационной и технической задачей. В основном фрукты и овощи
потребляются населением только в свежем виде, и только часть продукции
отправляется на переработку и хранение. Несколько хуже дело обстоит с
плодоовощными консервами, в том числе и с сушеными плодами и овощами. Их
производство на душу населения составляет в 100 и более раз ниже расчетных
норм потребления. От общего обьема произведенных плодов и овощей на
переработку идет не более одного процента. Для сравнения в европейских
странах перерабатывается около 50%, а в США до 80% плодов и овощей. И
даже, с учетом импорта, фактическое потребление плодоовощных консервов в
республике почти в 20 раз ниже расчетных норм потребления [2]. Кроме того,
этот показатель также зависит от потерь урожая при уборке и хранении. По
данным исследований, уже на стадии заготовки урожая а в дальнейшем, при его
хранении потери овощной продукции близки к 20 – 25 %, потери фруктов
достигают 15-18 %. Исходя из этого, наряду со многими способами хранения и
пререработки плодоовощной продукции вопросы применения сушки продукции
можно отнести к весьма актуальным задачам на современном этапе [3].
Кроме традиционных методов сушки плодоовощного сырья, современные
технологии основаны на теплоносителях, полученных путем сжигания жидкого
и газообразного топлива. С учетом того, что дефицит энергоносителей и их
стоимость в последние годы является актуальной проблемой в обществе,
использование возобновляемых источников энергии (ветровое, солнечное и др)
получает широкое распространение и развитие. В Республике Казахстан, в
частности в сельской местности, данная проблема имеет исключительно важное
значение, так как стоимость энергоносителей для товаропроизводителей очень
высока.
Высокая стоимость топливно-энергетических ресурсов заставляет решать
вопросы использования возобновляемых источников энергии в комплексе с
автономными средствами для сушки фруктов и овощей [4].
8
Среднегодовая мощность солнечного излучения для широты, где
расположена Алматинская область составляет порядка 5,8 кВт за световой день.
Это, в перспективе позволяет получить с 1м2 площади солнечного коллектора
от 1,5 до 3,5 кВт·ч энергии в сутки. По данным Гидрометеорологической
службы, в регионе число солнечных дней в году составляет порядка 300 дней,
что является достаточно хорошим показателем по уровню использования
солнечной радиации.
В настоящее время, в связи с переходом на мелкотоварные хозяйства и
агрофирмы, товаропроизводителям становится экономически целесообразным
хранить и перерабатывать плодоовощную продукции непосредственно в своих
хозяйствах. Это позволяет решить многие вопросы логистики и менеджмента,
осуществлять переработку продукции и его торговлю в наиболее
благоприятных условиях, формирования определенной конъюнктуры и ценовой
политики.
Исходя из этого, производство сухофруктов непосредственно в самих
хозяйствах также можно отнести к наиболее экономичным технологиям с
низкими затратами. Например, затраты на сушку с применением солнечной
энергии более чем в два раза ниже затрат на консервирование 1 т плодов.
Кроме того сушеные фрукты и овощи содержат необходимые для нормальной
жизнедеятельности организма человека легкоусваиваемые сахара (сахароза,
глюкоза, фруктоза), минеральные и органические витамины и кислоты.
Большое значение в процессе заготовки лекарственного сырья является его
сушка, и соблюдение надлежащих условий хранения высушенной продукции.
Однако оборудование, которое применяется для сушки растений в
сложившихся производственных структурах, в данное время не соответствует
необходимым требованиям.
Внедрение новых технологий и техники, является важнейшим способом
повышения эффективности работы сушильных агрегатов и повышением
качества
обрабатываемого
материала.
Традиционно,
организация
технологических процессов сушки продуктов осуществляются путем
использования энергоемких сушильных установок, которые потребляют
традиционные виды энергии. Поэтому бережное отношение к топливноэнергетическим ресурсам является важной государственной и стратегической
задачей [5].
Южные регионы Республики Казахстан, имеют благоприятные
возможности для широкого применения сушильных устройств, работающих на
солнечной энергии. Этому способствует и совпадение периода возделывания
сельскохозяйственной продукции с достаточно высокой солнечной
активностью в летнее и осеннее время. Очевидно, что использование солнечной
энергии для сушки фруктов, овощей и других продуктов в этих благоприятных
условиях является весьма актуальным.
Научная новизна
Получены зависимости теплофизических свойств теплоемкости с,
температуропроводности а, теплопроводности λ, яблок, баклажан, перца
мякоти плодов дыни от их влажности W, температуры Т (до 365 К ) и плотности
9
ρ. Получены рациональные конструктивные параметры гелиосушилки.
Выявлены пассивные зоны сушильной камеры расчетным методом.
Предложены устранения пассивных зон путем подвода теплового потока
дополнительными гелиоколлекторами.
Цель исследования
Интенсификация
процесса
производства
сушеных
продуктов
растительного происхождения с использованием солнечной энергии путем
применения дополнительных коллекторов и теплоаккумулирующих устройств
в гелиосушилке шахтного типа.
Задачи исследования
–
изучить физико-механические и теплофизические свойства
плодоовощного сырья;
– обосновать и разработать более рациональную гелиосушильную
установку, способную обеспечить производство сушеных продуктов
растительного происхождения с минимальными технико-экономическими
затратами;
– теоретически и экспериментально обосновать основные конструктивные
и технологические параметры гелиосушилки;
– провести лабораторные и производственные испытания гелиосушильной
установки;
– определить экономическую эффективность гелиосушилки.
Объекты исследования
Процесс сушки плодоовощной продукции, свойства материалов
подвергаемых сушке, гелиосушильная установка с дополнительными гелио
коллекторами и теплоаккумулирующим устройством.
Предмет исследования
Закономерность процессов сушки фруктов и овощей с использованием
солнечной энергии.
Методы исследований
В работе использованы общие и частные методы.
Теоретические исследования проводились численным методом для
решения уравнения Навье – Стокса и Id - диаграммой.
По стандартным методам определялись: плотность, влажность, расход и
скорость воздуха.
Физико – механические свойства сырья определялись методом
тензометрирования.
Теплофизические свойства определялись методом регулярного теплового
режима.
Исследование изменения влагосодержания сырья проводилось с
использованием теории планирования эксперимента.
Практическая ценность и реализация результатов работы
На основании теоретических и экспериментальных исследований
определены конструктивные и технологические параметры гелиосушили
обеспечивающие интенсивность процесса сушки.
10
Результаты работы были использованы при проектировании и
изготовлении экспериментального образца в КБ компании «PSI Construction».
Гелиосушилка прошла производственное испытание в Казахском НИИ
картофелеводства и овощеводства (Каз НИИКиО).
Результаты производственной проверки и техническая документация
гелиосушилки приняты к использованию в ТОО «АВАНТ ТЕХ МГ».
Разработанная сушилка внедрена в крестьянское хозяйство «Нургаскаев
А».
Публикации
По теме диссертации опубликовано 11 научных трудов, из них: 4 –в
научных изданиях рекомендованных Комитетом по контролю в сфере
образования и науки МОН РК, 3 - в материалах международных научнопрактических конференций, 1 – в журнале входящий в базу данных Thompson
Reuters и Scopus, 1 - рекомендация, 2 – зарубежные публикации в том числе 1
входящая в базу данных Global Impact Factor (Journal of Engineering and
Innovative Technology).
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались на:
- конференции факультета Сельскохозяйственной инженерии в
университете им. Александра Стульгинскиса (Литва 2013 г);
- международной научно – практической конференции «От теории к
практике» г. Новосибирск, (2015 г).
Положения, выносимые на защиту
Результаты экспериментальных исследований физико-механических и
теплофизических свойств разрезанного плодовоовощного материала; новая
конструкция гелиоустановки для сушки разрезанных плодоовощных
материалов, содержащая сушильную камеру, основной и дополнительные
гелиоколлектороы; технологические режимы и параметры установки.
Публикации, рекомендованные Комитетом по контролю в сфере
образования и науки МОН РК
«Исследования
коэффициента
трения
мякоти
плодов
дыни».
Исследования, результаты, № 4, 2013 г, Алматы;
«Тепловой баланс в вертикальной гелиосушилке при сушке плодов
фруктов и овощей». Известия НАН РК, № 3, 2015 г, Алматы;
«Гелисушилка». Авторское свидетельство № 82206, 2014 г, Астана.
«Гелисушилка». Авторское свидетельство № 88378, 2015 г, Астана.
Публикации в международных научно- практических конференциях
«Подбор типа полиэтиленовой пленки в качестве экрана в солнечной
сушилке для сушки овощей» 11 международная научно – практическая
конференция «European Applied Sciences: modern approaches in scientific
researches» 10 августа 2014 г, Штутгарт, Германия;
«Влияние технологических параметров на процесс сушки и качественные
показатели продукта» Международная научно – практическая конференция «От
теории к практике» № 1 (38) 2015 г, Новосибирск, Россия;
11
«Обоснование эффективности применения гелиосушилки шахтного типа
при сушке фруктов и овощей» Международная научно – практическая
конференция «Current issue sand the development of science and education»2015 г,
Вествуд, Канада.
Публикация в журнале, входящей в базу данных Thompson Reuters и
Scopus
«Modeling of the motion of free convective drying agent in plastic helio dryer»
Journal of Engineering Thermophysics. - 2014. –V.23. – Iss.4. 306-315.
Прочие публикации
«Determination of Thermal Performance the Fruits Pulp of Melons»
Agricultural Engineering № 19, 2014, Литва.
«Computation of technological and structural parameters of solar dryer by
calculation experiment» International Journal of Engineering and Innovative
Technology (IJEIT), Global Impact Factor (GIF), 2014, Индия;
«Рекомендации по использованию гелиосушилок для плодов и овощей в
условиях фермерских хозяйств Юго- восточного региона Казахстана» Алматы,
2015.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 5 разделов, заключения
списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 150
страницах компьютерного текста, содержит 107 рисунков, 16 таблиц, 51
страниц приложений. Список использованных источников включает 125
наименований.
12
1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ПРОИЗВОДСТВА
ПЛОДООВОЩНОЙ ПРОДУКЦИИ В РЕСПУБЛИКЕ И СУШКИ
ПРОДУКТОВ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
1.1 Состояние производства плодоовощной продукции в Республике
Казахстан
Опыт ведущих стран мира показывает, что важное место в развитии
плодоовощного сектора принадлежит системе сбыта. Плодоовощная продукция
относится к группе скоропортящихся, поэтому отсутствие гарантий его сбыта,
резко усиливает возможные риски производителей и не соответствие
международным стандартам по качеству [6]. В настоящее время в Казахстане
именно трудности сбыта являются одними из основных факторов,
сдерживающих развитие плодоовощеводства.
Под
системой
сбыта
обычно
подразумевается
организация
послеуборочного продвижения продукции - переработка, хранение,
транспортировка, реализация и т.д., которые можно объединить понятием
маркетинга. С помощью системы маркетинга обеспечивается продвижение
плодоовощной продукции от производителя до конечного потребителя.
Широкое развитие системы маркетинга в развитых странах позволяет
регулировать производство плодов и овощей в соответствии со спросом.
Развитие системы маркетинга в этих странах идет по пути укрепления
материально-технической базы каждого звена, внедрения современных
технологий, а также совершенствования хозяйственных связей на основе
интеграции, как горизонтальной, так и вертикальной, с образованием
разнообразных организационных форм.
В период перехода к рыночной экономике, в силу общеизвестных причин в
республике, произошел резкий спад плодоовощной отрасли. Так, в 1997 году
производство плодоовощных консервов прекратилось вообще. Однако, начиная
с 1998 года, наметилось некоторое оживление и поступательное развитие
производства и переработки плодов и овощей. По статистическим данным,
производство и потребление плодоовощной продукции на одного человека в
республике в последние годы значительно возросло за счет снижения экспорта
и некоторого увеличения импорта. Однако, производство плодов и ягод по
стране все еще в два раза ниже нормы потребления. Фактическое потребление
этих культур в разные годы менялось в зависимости от соотношения экспорта и
импорта, но было значительно ниже установленных норм потребления [7, 8].
Хуже всего дело обстоит с плодоовощными консервами, в том числе с
сушенными плодами и овощами. Их производство на душу населения в 100 и
более раз ниже расчетных норм потребления. На переработку идет не более
одного процента произведенных плодов и овощей. Для сравнения в
европейских странах перерабатывается около 50%, а в США до 80% плодов и
овощей. И даже с учетом импорта фактическое потребление плодоовощных
консервов в республике почти в 20 раз ниже расчетных норм потребления.
Развитие переработки, в том числе сушка плодов и овощей имеет
перспективу роста, что в свою очередь создает перспективу увеличения
13
внутреннего рынка свежих плодов и овощей и может придать большую
стабильность и гарантированность сбыту плодов и овощей.
Становление новых форм хозяйствования, их адаптация к рыночным
условиям, государственная поддержка сельских товаропроизводителей
способствовали стабилизации такой отрасли, как растениеводство.
Правительство республики выделяет значительные субсидии на закладку садов,
виноградников,
выращивание
овощей,
строительство
хранилищ,
перерабатывающих предприятий и теплиц. Благодаря этому в последние годы
наблюдается значительный рост площадей садов, виноградников, мощностей
теплиц, плодоовощехранилищ, перерабатывающих предприятий, увеличивается
производство овощей.
В результате предпринятых государством мер, по внедрению современных
технологий а также техники в призводство в стране за 7 лет происходит
стабильный рост производства плодоовощной продукции и объем в ценах
увеличился в 2,7 раза [9]. За последние 5 лет значительными темпами
увеличилась площадь под овощебахчевыми культурами (1,9 % в год), однако
темпы расширения площадей под овощными культурами замедлились в 20062007 годах и произошел спад около 8 %, это вполне закономерно, если
учитывать, что объемы производимых ресурсов превышают потребляемые. В
2001 - 2006 годах на овощную продукцию отмечался рост потребительского
спроса 14-15 %. Потребительский спрос распространен в основном на
продукцию которая достигает 81 % в своем потреблении (лук, томаты, капуста,
огурцы, зеленые, корнеплоды). Высокие цены на другие виды овощных культур
приводят к низкому количеству потребления.
Валовой сбор овощей, занимаемый рынком в сумме составляет примерно
80 % основу которых составляют томаты (12,6 %), морковь (11,5 %), капуста
(15,6 %).
Очень низкая доля производства приходится на теплолюбивые культуры
(кабачки, перец, баклажаны и др.) – 6 – 7 %. Доля производства зеленого
горошка пользующегося высоким спросом очень низкая, на его долю
приходится 0,04 % от валового сбора овощей.
Если сравнивать экспорт и импорт то доля экспорта превосходит импорт,
его доля в производстве 6 %. Однако заметна тенденция увеличения внешнего
товарооборота со стороны импорта так и со стороны экспорта. В основу
экспорта входят репчатый лук и томаты. Так доля репчатого лука составляет 56
% а доля томатов 21 % вывезенных в свежем виде овощей. Так как в основном
покупатели диктуют цены на овощную продукцию то экспортные цены
начинают значительно колебаться [10].
Так же абсолютно не пропорциональны сельскохозяйственные и
розничные цены их разница заметна в 3,6 раза. Отсутствует налаженная
система сбыта и регулировка цен на внутреннем розничном рынке о чем
говорит их завышенная цена по сравнению с экспортной ценой.
Особенно заметно повышение цен на основную овощную продукцию
(морковь, капуста, лук репчатый) каждый год. К примеру разность цен на
капусту в 2006 году составил 2,4 раза (цена октябрьская 32 тенге и цена в мае
14
76 тенге за 1 кг продукции). Аналогичный характер имеют цены на репчатый
лук (цена октябрьская 34 тенге и цена в мае 47 тенге за 1 кг продукции) [10].
Заметное повышение цен наблюдается в розничной торговле. Следствием
этого является преобладание мелких торговых точек относительно оптовых в
ценовом сравнении. К примеру если брать в сравнение стартовой цены на
столичных рынках то она превышает в несколько раз (в 1,5 -2 раза на репчатый
лук, в 2 раза на капусту, в 3 раза на морковь). Отсутствует конкуренция в сетях
розничной торговли так как отсутствуют крупные специализированные
магазины с высоким товарооборотом. К примеру в странах где рыночная
экономика хорошо развита данную функцию выполняют супермаркеты, так как
они занимаются реализацией продуктов высокого качества по цене ниже чем в
мелкой розничной торговле.
Причинами
такого
положения
на
рынках
являются:
на
сельскохозяйственных предприятиях низкая концентрация производства
фруктов и овощей, система сбыта не совершенна, рыночная и производственная
инфраструктура развита не на достаточном уровне, в реализации фруктов и
овощей присутствует чрезмерно большое количество посредников.
Система сбыта существующая на данный момент не производит
стимуляции для повышения качества товаров, не увеличивает предложений
товаров а также не заинтересовано в росте доходов производителей
сельскохозяйственной продукции. Большая часть прибыли остается в
розничной торговле среди посредников. В не переработанном виде
потребляются картофель, овощи, плоды и ягоды. Розничные цены от 2 до 4 раз
превышают оптовые цены сельхоз - товаропроизводителей. Это говорит о том,
что основная прибыль плодоовощного сектора остается в сети оптоворозничной торговли. Создание новых технологий и техники по переработке
плодов и овощей, ориентированных на мелкие и средние фермерские хозяйства,
поможет стимулировать инвестирование части получаемых прибылей в
производство плодов и овощей, в развитии переработки плодоовощной
продукции непосредственно в фермерских хозяйствах.
В 2010г. посевная площадь овощей в республике составила 120,4 тыс. га,
бахчевых – 63,4 тыс. га. Валовой сбор в 2009 г. овощей составил 2457,3 тыс.
тонн (рост на 8%), бахчевых – 852,3 тыс. тонн (падение на 2%) [11].
Наибольший удельный вес в производстве овощей и бахчевых культур
имеют: томаты – 580,9 тыс. тонн (17,5%); лук – 388,2 тыс. тонн (11,7%); капуста
– 376,3 тыс. тонн (11,4%); морковь – 321,5 тыс. тонн (9,7%); огурцы – 270,3 тыс.
тонн (8,1%); бахчевые культуры – 852,3 тыс. тонн (25,7%). Таким образом,
объемы производства овощебахчевых культур в республике превышают
потребность населения в соответствии с национальной нормой потребления в
2,1 раза (рисунки 1.1 и 1.2). Однако равномерность потребления населением в
течение года этих продуктов невозможно из-за сложностей хранения.
В Казахстане в настоящее время насчитывается более 190 000 фермерских,
крестьянских и других сельскохозяйственных формирований. Из них в Южных
областях сосредоточено около 78% всех крестьянских и фермерских хозяйств.
15
Возделывание плодовых, ягодных культур и винограда сосредоточено в
основном также в южных областях, большая часть овощей, в особенности
ранние, также производятся в этом регионе. Однако, ввиду природноклиматических условий Казахстана производство и реализация овощей на
большой части территории страны имеют ярко выраженный сезонный характер.
В этой связи остро стоит вопрос обеспечения населения ранними овощами.
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
2000
2002
2004
2006
Овощи
2008
2010
2012
Бахчевые
Рисунок 1.1- Динамика роста овощных и бахчевых культур в РК
250
200
150
100
50
0
2001
2002
2003
2004
2005
Овощи
2006
2007
2008
2009
2010
Бахчевые
Рисунок 1.2- Урожайность овощей и бахчевых культур в РК
На сегодняшний день по данным министерства сельского хозяйства в
республике функционирует порядка 1942 сооружений закрытого грунта на площади
16
267,2 га. По данным Агентства Республики Казахстан по статистике валовой
сбор овощных культур защищенного грунта составил 16 тыс. тонн, что на 13,4
тыс. тонн или в 6 раз больше, чем в 2008г. Указанный объем производства
удовлетворяет потребность населения в ранних овощах лишь на 18,3%.
В 2010г. посевная площадь картофеля составила 179,8 тыс. га, что на 6%
больше, чем в 2009г. Валовой сбор картофеля в 2009 г. составил 2755,6 тыс.
тонн, что на 401,2 тыс. тонн или на 17% больше, чем в 2008г. Таким образом,
объем производства картофеля в республике превышают потребность
населения в соответствии с национальной нормой потребления в 2,5 раза.
Посевные площади плодово-ягодных культур и винограда в 2009г.
составили 49,2 тыс. га, что на 0,9 тыс. га или на 1,9 % больше, чем в 2008г. Из
них на виноградные насаждения пришлось 12 тыс. га, в том числе в
плодоносящем возрасте – 8,9 тыс. га. Доля площадей данной культуры
плодово-ягодных насаждений остается постоянной в течении последних 5 лет.
Площадь плодово-ягодных культур составила 37,2 тыс. гектаров, снизившись с
53,6 тыс. га в 2005г. Из них, только на плодоносящие насаждения приходится
29,5 тыс. га [12]. Валовой сбор плодово-ягодных культур и винограда составил
234,3 тыс. тонн, что на 58,3 тыс. тонн или на 33,1% больше, чем в 2008г. Из них
производство фруктов и орехов составило 178,6 тыс. тонн, а винограда – 55,7
тыс. тонн.
После глубокого экономического спада, с 2004г. наблюдается период
восстановления производства традиционных фруктовых культур. Валовой сбор
яблок увеличился до 148,9 тыс. т. В ЮКО собрано 44,6 тыс. т., в Алматинской 41,9 тыс.т, СКО-23,2 тыс. т., и в ВКО- 12,3 тыс.т. Основная доля произведенных в
стране яблок приходится на личные хозяйства - 112,5 тыс. т. и крестьянские
хозяйства-30,9 тыс. т. На долю сельхозпредприятий приходится 5,5 тыс. т. Как
видно основная доля производства приходится личным хозяйствам поэтому
использование компактного не потребляющего производимой энергии
оборудования является необходимым для производства сухих продуктов.
В промышленных яблоневых садах преобладают сорта: летние -«Суйслеппер»,
«Белый налив», «Пеструшка»; осенние - «Ренет Бурхардта»; зимние - «Апорт»,
«Розмарин», «Грушовка Верненская», «Пармен зимний золотой». Наиболее
продуктивные: «Голден Делишее» - 170 ц/га, «Восход»- 168ц/га, «Горицвет» - 130
ц/га, «Рахат»- 120 ц/га, «Дамира»- 110 ц/га. Исходя из этого предлагаемый объем
производства винограда и плодово-ягодных культур внутри страны
обеспечивается на 66,6%.
Жамбылская, Алматинская и Южно-Казахстанская область являются
самыми оптимальными и перспективными чтобы интенсивно развивать
плодоовощную отрасль. По предварительным расчетам в данных областях для
внедрения и развития интенсивных технологий оценена около 44 тыс. га.
Целью значительного увеличения показателей урожайности является в том
чтобы с помощью внедрения технологий по производству плодоовощной
продукции в широком масштабе заместить импорт.
В заключении отмечаются некоторые положительные стороны в
производстве:
17
- производственный потенциал;
- географическое расположение очень выгодное так как находится
недалеко от больших рынков сельскохозяйственного производства. (Страны
Центральной Азии, Китай и Россия);
- большинство продуктов питания обеспечена в достаточном количестве.
Однако в Республике есть и слабые стороны в производстве
плодоовощного сырья:
- маленькое количество товарного производства;
- инфраструктура сельскохозяйственного производства не развита на
достаточном уровне;
- из-за низкой численности населения в стране пространственное
перемещение продукции как материально технической приводит к
значительным затратам при транспортировке от производителя до потребителя;
- большие сложности создает то что нет выхода в море что обеспечило бы
доступ к внешним рынкам;
- предложения в оказании финансовых услуг для сельскохозяйственного
сектора ограниченна;
- основные средства производства устарели как морально так и
физический;
- отечественная селекция, семеноводство а также агротехнологии в сфере
овощных и бахчевых культур развита не достаточно;
- используемые семена имеют низкий генетический потенциал;
- механизация труда низкая;
- загруженность перерабатывающих заводов из-за отсутствия хорошего
сырья недостаточна;
- международные стандарты и нормы по уровню фитосанитарной
безопасности не соответствуют нормам;
Растительные продукты (овощи, ягоды, зелень, фрукты) имеют очень
важную роль в человеческом рационе. В реальности до стола потребителя
доходит около 28 % сельскохозяйственной продукции от производителя. Сроки
при хранении свежих фруктов, овощей и зелени может быть разным, от 5-6
часов до 6 месяцев. Однако в процессе хранения овощей в свежем виде в расход
идут все питательные вещества, из-за процессов жизнедеятельности в процессе
хранения плодоовощной продукции так как эти процессы не остановлены а
просто замедлены. Исходя из этого возникает необходимость в консервации
продуктов как на зимний период так и на более длительный с целью
сохранения энергетических и биологических ценностей в пищевых продуктах.
Существует множество методов консервации такие как пастеризация,
заморозка, стерилизация, охлаждение засолка и сушка [13 -15]. Пастеризация и
стерилизация включает в себя тепловую обработку с целью уничтожения
микрофлоры. Заморозка и охлаждение замедляют процессы развития
микрофлоры. Если брать заморозку не выше 17 °С то она сохраняет витамины,
биологически активные компоненты однако обратный процесс размораживания
ведет за собой снижение качества продуктов и содержание витаминов
снижается. При длительном потреблении продуктов законсервированных
18
солью, сахаром могут привести к причинам возникновения отложением шлаков
в организме а также причиной некоторых видов болезней.
При сушке эффект консервации в сухом плодоовощном сырье достигнут с
помощью снижения влажности что в свою очередь замедляет процессы
развития микрофлоры.
Современная сушка при переработке плодоовощного сырья должна стать
одним из основных способов. При современной сушке важны три основных
требования:
- энергопотребление должно быть низким;
- качество продукции должно быть высоким;
- стоимость продукции должна быть доступной.
В настоящее время доля сушеных овощей и плодов в общем ассортименте
плодоовощной продукции увеличивается. Это объясняется, прежде всего, тем,
что производственные и торговые предприятия, стремясь увеличить прибыль,
разрабатывают новые виды продовольственных товаров. В новых продуктах
увеличивается содержание витаминов, клетчатки и других биологически
активных веществ. Овощные порошки используются также в производстве
различных напитков, сыров, кондитерских изделий и другой продукции.
Некоторые продукты при добавлении в них сушеных овощных компонентов
приобретают статус «диетических и лечебно-профилактических». Сушеные
овощи и плоды широко используются при производстве сухих концентратов
для первых и овощных гарниров для первых и вторых блюд, сухих завтраков и
десертов, комбинированных сухих пряностей, предназначенных для
производства консервов и приготовления отдельных видов блюд. Все сушеные
продукты можно использовать для быстрого приготовления пищи как в быту,
так и в общественном питании, например, на предприятиях быстрого
обслуживания.
Одно из перспективных направлений использования сушеных плодов и
овощей является расширение ассортиментной базы производства продуктов для
детского и школьного питания. В частности, это может быть и разработка
порошкообразных смесей быстрого приготовления. Преимущество смесей
состоит в том, что их удобно транспортировать на большие расстояния,
относительно длительные сроки годности и достаточная простота процесса
приготовления в готовый продукт, не требующего специального
технологического оборудования и занимающего короткое время (не более 30
мин.).
Сушеные овощные, фруктовые и ягодные порошки широко применяются в
качестве вкусовых и ароматических наполнителей. Также сушеные овощи и
плоды, сухие овощные гарниры и овощные концентраты используются для
снабжения экспедиций, они входят в состав сухих пайков и рационов
военнослужащих и бортового питания для космонавтов.
Из сушеных овощей и плодов на обеспечение войск поступает картофель,
морковь, свекла, белые коренья, белокочанная капуста, лук, сушеные смеси из
наборов первых блюд - щи, борщи, рассольники и различные смеси
сухофруктов для приготовления компотов. Сушеные овощи и плоды с более
19
низкой влажностью лучше сохраняются, но порой требуют упаковывания в
герметичную тару. Создать физиологически полноценный рацион питания
повышенной автономности можно только при наличии достаточно широкого
ассортимента продуктов с длительными сроками хранения в условиях
нерегулируемого температурно-влажностного режима. Следовательно, для
плодов и овощей, это, прежде всего - сушеная продукция.
1.2 Роль сушеных плодов и овощей в питании человека
Объем потребления фруктов и овощей, возможности увеличения этого
потребления выражает, в конечном счете, сумма, которая расходуется или
может быть израсходована на покупку плодов и овощей. Расходы населения
для приобретения основных продуктов питания составляет около 50 % от
основного дохода, при этом доля на приобретение плодов и овощей из
соседней России составляет 8 – 10 % [16].
Фрукты и овощи при приготовлении пищи придают им объем что
оказывает ощущение сытости у человека. По своему составу разные виды
овощей имеют разный состав. В связи с этим чтобы получить максимальную
биологическую ценность от рациона пищи нужно использовать разнообразные
виды овощей и фруктов [17].
Для нормальной работы желудочно-кишечного тракта для организма
необходима клетчатка которая содержится в большом количестве в овощах и
фруктах. Так же фрукты и овощи выводят из организма человека холестерин и
нормализуют жировой обмен. Овощи и фрукты очень хорошо применяются при
лечении недугов, повышают иммунитет так как обладают в свою очередь
лечебными свойствами. Применение фруктов и овощей в лечебных целях очень
актуально.
Компоненты фруктов и овощей не несут вред здоровью человека в
отличии от средств изготовленных на синтетической основе. Исследованиями
доказано что употребление фруктов и овощей каждый день в своем рационе
способны продлить человеческую жизнь больше чем на 10 -12 лет.
Доказательством этого так же может послужить использование фруктов и
овощей в лечении разных болезней с помощью народной медицины в которой
многие средства получены с применением фруктов и овощей [18].
В качестве объекта сушки фрукты и овощи имеют в своем составе больше
воды чем сухих веществ. Всего 5 % воды удерживается плотно так как связана
с клеточными коллоидами, основная водная часть находится в свободном
состоянии. Этим можно объяснить легкую сушку плодоовощного сырья до
влажности 10 -13 % а также трудности удаления оставшейся влаги.
Химический состав растительного сырья содержит белки, жиры, углеводы
и липиды, а также растительное сырье имеет капиллярно – пористую
структуру. Биологически активные вещества как витамины, полифенолы,
органические кислоты и минералы содержатся в небольших количествах, они
отвечают за вкус и биологическую ценность. Данные компоненты более
чувствительны к неблагоприятным изменениям что и приводит к снижению
биологической ценности готового продукта в процессе подготовки материала к
20
сушке и в самом процессе сушки.
Вода содержащаяся в клетках является средой, в данной среде проходят
все реакции. В растительной клетке гидрофильные вещества находятся в виде
водных растворов, в виде коллоидных растворов и эмульсий выступают
гидрофобные вещества. В свою очередь вода в клетках распределена
неравномерна. В паренхимных тканях присутствует большое количество воды,
чуть меньше в покровных тканях и практический отсутствуют в семенах.
Исходя из этого выходит что при очистке и подготовке сырья к сушке оно
теряет воду по сравнению с исходным сырьем.
Растительное сырье в сухом виде содержит большое количество углеводов
[19]. В картофеле и в бобовых из углеводов содержится преимущественно
крахмал, во фруктах и овощах моно- и дисахара: глюкоза, фруктоза, сахароза.
При сушке некоторых видов растительного сырья происходит реакция
приводящая к потемнению продукта из-за содержания большого количества
моносахоров Так же большое количества в составе продуктов сушке сахаров
может увеличить продолжительность сушки. Практически не изменяются в
процессе сушки основные компоненты создающие каркас растительной клетки
(целлюлоза, гемицеллюлоза), также они не подвержены растворению в воде.
Увеличить продолжительность сушки могут так же пектиновые вещества
так как они обладают свойством связывания влаги.
В процессе сушки белки денатурируют, происходит частичная
гидролизация, в сушеной продукции изменяется аминокислотный состав.
Значимую роль в формировании цвета, запаха и вкуса играют
полифенольные вещества биологическая активность которых очень высока.
Они же и могут быть причинами ферментативного потемнения в процессе
технологической обработки.
При мойке в воде органические кислоты растворяются без труда в
особенности с нарезанных и очищенных продуктов.
Витамины очень лабильны и чувствительны к кислороду в особенности
при его температурном изменении. Данный момент следует учесть при
подготовке сырья к сушке и в самом процессе сушки.
При сушке практически сохраняются все минеральные вещества. Однако,
чтобы уменьшить их потери то следует кратковременно держать нарезанное и
очищенное сырье в воде [20].
Таким образом, плоды овощей и фруктов представляют из себя сложные
структурные объекты сушки и при их обезвоживании потери пищевых качеств
является одной из трудных задач.
1.3 Сушествующие способы сушки продуктов растительного
происхождения
Материалы, подвергающиеся сушке, очень разнообразны по своему
составу. Поэтому
конструкции сушилок имеют разнообразные виды и
технологии сушки, которые могут различатся по нескольким признакам:
- способы подвода тепла (конвективный и контактный);
- по типу использования теплоносителя (воздушного парового и газового);
21
- по величине давления в самой камере сушилки (атмосферное и
вакуумное);
- по способу действия (периодическое и непрерывное);
- по взаимному направлению движения материала а также теплоносителя в
сушилках конвективного типа (прямоточные, перекрестным током а так же и
противоточные);
- по состоянию объектов сушки (неподвижное, непрерывно движушее и
др.).
При кондуктивном способе сушки пищевых продуктов передача тепла
высушиваемому продукту осушествляется путем непосредственного контакта с
нагреваемой поверхностью сушильного оборудования. Однако для сушки
продуктов питания данный способ используется не так часто. Большой
перегрев из-за неравномерности влажности в продуктах сушки приводит к
снижению качества конечного продукта. Данный способ имеет большое
применение при сушке пиломатериалов, а также сырья и продукции в
текстильной промышленности [21].
При терморадиальном способе сушки продуктов питания, волны
инфракрасного излучения определенной длины (с 8 до10 мкм) поглощается
водой, содержащейся в продуктах сушки, но не поглощается тканью
высушиваемого продукта. Из-за этого удаление влаги возможно только при
невысокой температуре (от 40 до 60 °С), это позволяет практически полностью
сохранить большое количество витаминов, биологически активных веществ,
естественный цвет, вкус а так же аромат подвергающихся к сушке продуктов
питания [22].
Инфракрасное оборудование для сушки продуктов питания применяются
при сушки овощей и фруктов а также для мясного и рыбного сырья, пищевых
полуфабрикатов, готовых блюд и закусок, а также продуктов быстрого
приготовления и лекарственных растений. Широко используется инфракрасное
оборудование при сушки непищевых продуктов, в большей мере для листовых
тонкослойных материалов и лакокрасочных покрытий при производстве
макаронных изделий [23].
Если брать в сравнение традиционные способы сушки пищевых продуктов
(конвективный и кондуктивный) то овощи и фрукты, при обработке в
инфракрасной сушилке, после завершения процесса сушки обладают хорошими
вкусовыми качествами которые максимально приближенны к свежим
продуктам питания; срок хранения продуктов относительно увеличивается.
Источниками инфракрасного излучения выступают электрические лампы
(сушилки ламповые) или экраны обогреваемые газом (газовые радиационные
сушилки).
У радиационных сушилок есть несколько основных достоинств: удаление
влаги из тонкослойных материалов очень быстрое, компактность, легкость в
регулировании, незначительная потеря тепла в окружающую среду. Есть и
недостатки при сушки инфракрасным излучением: непригодна для сушки
толстых слоев материала; неравномерный нагрев высушиваемого материала,
связанный с быстрым нагревом поверхностного слоя а также медленная
22
передача тепла во внутренние слои; расход энергии высокий (на 1 кг влаги
требуется от 1,5 до 2,5 кВт-ч). Оптимальным решением при сушки толстых
слоев материала, в частности пастообразных, является использование
комбинированных способов сушки таких как терморадиационный и
конвективный или терморадиационная сушка либо сушки токами высокой частоты [24].
Микроволновый способ сушки пищевых продуктов основан на
воздействии на продукт сушки интенсивным электромагнитным полем
сверхвысоких частот (СВЧ). При действии СВЧ полей молекулы воды
начинают совершать колебательные а так же вращательные движения,
ориентируя частоту поля на его электрические линии. Происходит полный
нагрев объема продукта, при этом особо влажные участки получают намного
больше энергии чем менее влажные. В результате этого происходит удаление
влаги в продукте и сушка продукта. При снижении влажности продукта сам
процесс сушки продукта остается не изменным так как механизм
теплопроводности не играет основную роль [25].
Отличительной особенностью микроволновой сушки фруктов и овощей
является то что на сушку затрачивается меньше времени при относительно
низкой температуре во время процесса, что является хорошим способом при
сушке пищевых продуктов, так как при данном способе сохранность полезных
веществ и витаминов выше. Основным и пожалуй единственным источником
энергии для генераторов СВЧ-энергии является только электроэнергия, этот
фактор обеспечивает исключительную экологическую чистоту. Однако в
микроволновом оборудовнии есть единственное ограничение это –
относительно низкое КПД (60%) при преобразовании энергии электрического
тока в энергию СВЧ-поля. Поэтому возникает необхоимость применять
микроволновое оборудование при низких влажностях продукта (ниже чем 50%)
так как это будет более целесообразно.
При воздействии интенсивного СВЧ-поля происходит практически полное
уничтожение микрофлоры, что многократно увеличивает срок хранения
полученного продукта. Это так же носит название как обеззараживание
продукта при воздействии СВЧ полей.
Сушка микровоновым излучением овощей и фруктов отличается тем что
обладает высокой скоростью и большой эффективностью. Отпадает
необходимость наличия аппаратов для подготовки теплоносителя (сушильного
агента), нет вредных выбросов в атмосферу.
В настоящее время в различных пищевых производствах для сушки
пищевых продуктов используют микроволновые технологии.
Сублимационный способ сушки продуктов (сублимационная вакуумная
сушка, лиофилизация или возгонка) – обусловлен непосредственным
удалением влаги из твердой фазы. Из свежезамороженных продуктов в
паровую фазу в условиях полного вакума минуя жидкое состояние. Если
продукты замораживаются бысро и глубоко то образование кисталлов льда в
продуктах не такие большие. Это приводит к тому что кристаллы льда
начинают испаряться быстрее при втором этапе сушки при этом качество
23
получаемого продукта намного выше. Состав продукции, степень измельчения,
особенности его строения и производительность влияет на скорость
сублимационной сушки. Пюре – образные и жидкие продукты сушатся намного
быстрее чем твердые проджукты. При сублимационой сушке качество
продуктов намного выше чем при спростом способе сушки. [26].
Однако сублимаиционный способ сушки дороже, поэтому данный способ
применяется в основном для сушки ценных пищевых продуктов, плазмы крови,
медицинских препаратов и др. Для сохранения в продуктах его полезные
вещества на длительные периоды времени, к примеру при производстве
лекарств, лекарственные экстракты на основе трав используется технология
сублимационной сушки. В данное время данный способ является самым
современным методом обратимого консервирования микроорганизмов и
биопрепаратов обеспечивающий лучшее качество продукта а также высокую
восстанавливаемость лактобактерий при том что продолжительность процесса
минимальная при, минимальных затратах.
При производстве продуктов питания вакумная сублимационная сушка
используется в основном как средство для консервации и сохранения важных
питательных веществ. При этом отсутствует необходимость применения
ароматизаторов, консервантов и красителей. Главным и основным
достоинством вакуумной сушки продуктов является его малая усадка
исходного продукта а так же быстрое восстановление сублимированных
продуктов при добавления воды.
При акустическом способе сушки продуктов происодит воздействии на
продукт сушки с помощью интенсивных ультразвуковых волн. Удаление влаги
при акустическом способе сушки из материала происходит в результате его
облучения звуком с подходящими определенными характеристиками
Аккуститеский процесс сушки носит циклический характер. При этом волна
вытесняет влагу которая находится на поверхности продукта, после этого
остатки влаги распределяются по капиллярам и процесс повторяется снова, до
достижения необходимой влажности. Этот способ позволяет сушить продукты
сельского хозяйства, древесину, хлопок, лекарственные препараты и травы,
продукцию химической и других отраслей промышленности [27].
При акустическом способе сушке влага выводится из продуктов сушки в
результате
действия
звука
с
определенными
соответствующими
характеристиками. Главной особенностью данного способа: сушка в том что он
протекает без повышения температуры продуктов сушки, т.е. происходит
холодная сушка. Все негативные последствия протекающие при тепловой
сушке в данном способе отсутствуют. Благодаря этому акустическая сушка –
это единственный способ на сегоднящний который пригоден для сушки
материалов с высокой термочувствительностью и окислением. Аккуститческие
коллебания
положительно
сказываются
на
физико-химических
и
потребительских свойствах продукта обрабатываемого продукта, увеличивает
всхожесть семян и др. Аккустический способ сушки выше вакумного способа в
3 – 4 раза, так как ферменты при данном способе разрушаются выше 40 °С.
24
1.4 Технические средства для получения сушеных продуктов
растительного происхождения
Производство сушеных продуктов, как правило, производится в основном
конвективными сушилками. Конвективная сушка растительного сырья
проводится в различных сушильных аппаратах главным образом конвейерного
(ленточного) и туннельного типа. Конвейерные сушилки более совершенны по
конструкции и использованию сушильного агента, чем туннельные. Они нашли
широкое применение для сушки овощей и плодов, не выделяющих в процессе
сушки сок (семечковые плоды). Туннельные сушилки из-за специфики
устанавливающегося в них режима хорошо зарекомендовали себя для сушки
плодов, легко выделяющих сок, таких как слива, абрикос и другие косточковые
плоды, а также для винограда.
Простота конструкции, надежность в эксплуатации и универсальность
сделали туннельные сушилки наиболее распространенными для сушки фруктов
во многих странах мира. Основной особенностью и преимуществом
туннельных сушилок является наличие собственных, встроенных,
теплогенераторов, работающих на жидком топливе, что исключает
необходимость строительства котельных [28].
В конструкции туннельных сушилок в настоящее время применяется
бескалориферное нагревание воздуха как наиболее простое и экономичное.
Однако, возможный контакт топочных газов с пищевыми продуктами ухудшает
качество обрабатываемого продукта. Сушеные продукты при длительном
контакте с отработанными газами значительной степени загрязняются
частицами продуктов сушильного агента и при этом приобретают
специфический запах и вкус. В связи с этим, качество полученного продукта
должно оцениваться согласно органолептическим требованиям к пищевым
продуктам.
Для
гарантий
соблюдения
санитарной
безопасности
вырабатываемых сухих продуктов, безусловно, необходимо разрабатывать
такие конструкции туннельных сушилок с калориферным нагревом воздуха,
которые исключают возможность контакта пищевых продуктов с сушильным
агентом.
Туннельная сушилка это аппарат поточно-циклического действия, где
сушка плодов осуществляется в вагонетках, или в лотках размещенные в
вагонетках, периодически двигающихся в рабочем канале сушилки. Режимы и
процессы сушки зависят от способа подачи сушильного агента в рабочие
пространство. По этому признаку сушилки делятся на четыре группы:
- прямоточные когда поток сушильного агента передвигается параллельно
движению вагонеток с сырьем, где обеспечивается максимальная температура
теплоносителя на входе сырья в рабочее пространство;
-противоточные – сушильный агент движется навстречу вагонеткам с
сырьем, где максимальная температура сушильного агента у выхода продукта
из сушильной камеры;
-комбинированные - поток сушильного агента происходит прямоточно и
противоточно, т.е. бывают двух зонные сушилки, где первая зона прямоточная,
вторая зона – прямоточная;
25
- с перекрестным потоком теплоносителя - в данном случае воздушный
поток направлен перпендикулярно направлению движения сушимого продукта.
Сушилка может иметь несколько зон, где теплоноситель циркулирует в
каждой зоне. Для сушки плодов в большей мере используются главным
образом
противоточные
туннельные
сушилки
[29].
К
наиболее
распространенным видам туннельных сушилок на территории СНГ можно
отнести сушилки фирмы «Чачак», Б6-КФА и МНИИПП-1, принципиальное
устройство которых практически одинаково.
Рассмотрим основные характеристики и конструктивные особенности этих
сушилок в целом.
Туннельная сушилка «Чачак» имеет два канала, стены которых обычно
выполняются из кирпича или камня с бетонным полом и потолком (рисунок
1.3).
1-рабочий канал; 2- вагонетка с поддонами; 3- двери выгрузки; 4-психрометр;
5- распределительные шиберы; 6-терморегулятор; 7-осевой вентилятор;
8-приводк вентилятору: 9-канал подготовки сушильного агента; 10- камера
сгорания; 11-горелка; 12-бачок для топлива; 13-площадка обслуживания;
14-лестница; 15-шиберы подачи свежего воздуха; 16-пульт для приборов;
17-сетка верхней двери; 18-шибер для рециркуляции сушильного агента
Рисунок 1.3 - Схема туннельной сушилки фирмы «Чачак» (Югославия)
Рабочий канал выполнен из цельнометаллических или сборных
металлических панелей с термоизоляционным покрытием. В качестве
сушильного агента используется смесь газа, полученного в результате сгорания
жидкого продукта и смешанного с воздухом. Направление потока сушильного
агента и его равномерное распределение по сечению рабочего канала
производится с помощью распределительных шиберов.
Несколько отличительную конструкцию имеет сушилка «Вентилятор»
(рисунок 1.4), в которой канал для подготовки сушильного агента
располагается сбоку от рабочего канала.
Сушилки типа МНИИПП-1 (рисунок 1.5) в качестве сушильного агента
используют воздух, нагреваемый теплогенератором. Теплогенератор работает
на жидком топливе, однако, продукты сгорания жидкого топлива не
используются для нагрева продуктов, а после нагрева воздуха сбрасывается
наружу. Таким образом, высушиваемый продукт не имеет контакта с
отработанными газами. КПД теплогенератора достигает до 0,98 и обеспечивает
повышение температуры воздуха при поступлении в сушилку до 80-85оС.
26
1-сушильный канал; 2-вагонетка с поддонами; 3-электропривод к толкателю;
4-автоматическая горелка; 5-камера сгорания; 6-вентилятор; 7-электропривод к
вентилятору; 8-канал для подачи сушильного агента; 9-психрометр;
10-двери для выгрузки; 11- двери для загрузки
Рисунок 1.4- Схема туннельной сушилки фирмы «Вентилятор» (Югославия)
1-сушильный канал; 2-канал для подготовки сушильного агента; 3-автоматическая горелка; 4-теплогенератор; 5-калорифер теплогенератора; 6-вентилятор
для подачи воздуха в теплогенератор; 7-труба для выброса продуктов сгорания;
8-вентилятор-смеситель; 9-вагонетки с поддонами
Рисунок 1.5 - Схема туннельной сушилки МНИИПП-1
На крупных перерабатывающих предприятиях, где экономически
целесообразно строить котельные, для нагрева воздуха используют паровые
калориферы.
Заслуживает определенного внимания туннельная сушилка фирмы
«Ямото» (рисунок 1.6) имеющая цельнометаллическую конструкцию.
Сушилка имеет параллельно расположенные каналы, имеющие
противоположное направление потока воздуха. Воздух также нагревается от
теплогенератора, работающего на жидком топливе. Температура воздуха в
теплогенераторе нагревается до 75оС, и сушильный агент используется для
повторного нагрева согласно замкнутой схемы движения в сушилке. [30].
Для проведения анализа техники сушки в противоточных туннельных
сушилках рассмотрим схему движения сушильного агента и сырья, а также
характер изменения параметров сушильного агента, представленной на рисунке
1.7.
27
1-сушильный канал; 2-вагонетка; 3-двери загрузки; 4-теплогенератор;
5-вентилятор; 6-эксгаустер; 7- двери выгрузки
Рисунок 1.6 - Схема прямоточной туннельной сушилки фирмы «Ямото»
(Япония)
Рисунок 1.7- Схема движения и изменения параметров материала и сушильного
агента в туннельной сушилке
В этих типах сушилок, процесс сушки начинается при сравнительно
низкой температуре и относительно высокой влажности сушильного агента с
постепенным повышением температуры и снижением влажности к концу
процесса сушки. Такой «мягкий» режим, как правило, рекомендуется для
сушки целых плодов с плотной кожицей. Данный режим предотвращает
растрескивание плодов, сопровождающееся вытеканием сока. Температура
самих плодов по мере их продвижения в сушильном канале сушилки
повышается и к концу процесса достигает температуры сушильного агента.
Таким образом, выбор температуры сушильного агента на входе в канал
напрямую связан со свойствами материала, его термочувствительностью,
которые для большинства нежных плодов составляют - 75-85оС.
Другими важными эксплуатационными параметрами работы сушилки
являются скорость движения сушильного агента и равномерность его потока в
канале. Например, для сушилок типа МНИИПП-1 и фирмы ЦЕР, скорость
движения сушильного агента в канале без материала находится в пределах 5,0
м/с, и в загруженном канале - 2,5-3,5 м/с. Согласно исследованиям [31], при
установившемся режиме работы по всей длине канала туннельной сушилки
определены характеристики и параметры материала и сушильного агента. Для
любого времени нахождения продукта в различных зонах канала с большой
точностью можно определить влажность высушиваемого материала, что
показано на рисунке 1.8.
28
ВЛАГОСОДЕРЖАНИЕ, Г/КГ
700
600
500
400
300
200
100
0
-100 0
2
4
6
8
10
12
14
ЗОНЫ СУШИЛКИ
слива
вишня
груша
Рисунок 1.8 - Изменение влагосодержания в плодах и по зонам сушилки
Здесь по оси абсцисс откладывались не время в часах, а зоны сушилки,
которые делятся на 12. Продолжительность пребывания сырья в каждой зоне
различна и соответствует интервалу между загрузками вагонеток, и только для
плодов вишни длительность пребывания сырья в каждой зоне соответствует
одному часу, т.е. номеру зоны.
1.5 Особенности использования солнечной энергии для получения
сушеных продуктов растительного происхождения
Устройства, предназначенные для сушки влажных материалов с
использованием солнечной энергии путем преобразования ее в тепловую
энергию, можно разделить на две основные группы: установки с
концентрирующими устройствами и парниковые гелиосушилки.
В первой группе установок солнечная радиация к высушиваемому
материалу подводится с различной кратностью концентрации, зависящей от
вида концентрирующих устройств [32]. Данные типы установок применяются
при высокотемпературных режимах сушки. К их основным недостаткам можно
отнести – высокую стоимость концентраторов, необходимость применения
следящих устройств и низкую производительность.
Наиболее широкое применение в области сушки сельхозпродуктов нашли
гелиосушилки, основанные на использовании принципа «горячего ящика» [33 35]. В зависимости от способа энергоподвода к высушиваемому материалу они
подразделяются на - радиационные, конвективные и комбинированные.
В конвективных гелиосушильных установках (КГСУ) высушиваемый
материал
воспринимает
тепло
от
воздуха,
нагретого
в
гелиовоздухонагревателях. Солнечные радиационные сушильные установки
(СРСУ) представляют собой единый агрегат, в котором высушиваемый продукт
размещают непосредственно под воздействие солнечной радиации, т. е.
основная доля энергоподвода к материалу осуществляется радиационным
способом. Комбинированная гелиосушилка (КГС) представляет собой
сочетание двух типов установок.
В начале тридцатых годов прошлого века по проекту Среднеазиатского
гелиотехнического института (город Самарканд, Узбекская ССР) была
29
построена солнечная фруктосушильная установка камерного типа. Она
представляла собой вытянутую, по длине прямоугольную кожух-камеру, на
одном торце которой имелась загрузочная дверца. Через этот вход въезжали
вагонетки с фруктами; на другом конце туннеля была установлена вытяжная
труба, для отвода увлажненного воздуха с помощью вентилятора, мощностью
155 Вт. По всей длине камеры был проложен рельсовый путь. Горячий воздух
для сушки вырабатывался в двух воздухонагревателях, представляющих собой
простые установки оранжерейного типа с двойным остеклением,
расположенные по обе стороны камеры и соединенные с ней трубопроводами.
Недостатком данной установки являлось расслоение теплоносителя по
поперечному сечению камеры, более горячий поток воздуха двигался через
верхнюю часть туннеля, и наоборот, холодный поток, по нижней части.
В работе [36] описывается солнечная фруктосушильная установка
парникового типа, состоящая из опорных кирпичных столбов с прогонами, по
которым уложены стропила с углом наклона 20° к горизонту. Фрукты,
прошедшие предварительную обработку, раскладываются на решетке из
расчета 10 кг сырых фруктов на 1 м2 поверхности и вводятся под стекло, где и
идет процесс сушки. Одним из основных недостатков этой конструкции
является большая трудоемкость ее монтажа и эксплуатация установки. В работе
[37] приведены результаты исследований по сушке плодов и винограда в
аналогичной, вышеописанной фруктосушильной установке.
Сравнительный анализ гелиосушилок различных типов [38] показал, что
их использование способствует значительному сокращению времени сушки по
сравнению с естественной сушкой, при одновременно высоком качестве
готовой продукции.
В работе [39] описывается небольшая комбинированная сушилка для
овощей и фруктов с дополнительным воздухонагревателем. Однако, такие
вопросы, как определение оптимального режима эксплуатации солнечных
фруктосушильных установок и технико-экономические характеристики
предлагаемой установки в работах не рассматривались.
Гелиосушилка А.В. Барзунова выполнена из прозрачной органической
пленки. В целях уменьшения тепловых потерь нижняя часть сушилки покрыта
алюминиевым листом. Для улучшения теплообмена и турбулизации воздуха
установка выполнена по ступенчатой схеме. Гелиосушилка оснащена
патрубком для подачи воздуха и вытяжной трубкой.
Для повышения производительности установки на ней был испытан
прерывистый способ сушки [40]. Продукция подсушивалась в сушильной
камере до 45–50% влажности, затем плоды помещались на хранение под навес,
а спустя некоторое время проводилось его досушивание. Повышение
производительности установки достигалось путем удаления слабоосвещенной
влаги в начале сушки. При этом на каждый килограмм испарившейся влаги
расходовалось около 3350 – 4200 кДж тепла, КПД установки составлял 55–60%.
По мере увеличения энергии связи влаги с родуктом, удельный расход тепла на
испарение 1 кг влаги увеличивался, и в конце процесса он составлял 92100–109
000 кДж/кг.
30
В процессе хранения подсушенного сырья влага за счет градиента
влажности из центральных слоев продукта перемещается к периферии.
Внешний сухой слой, образовавшийся в процессе сушки, вновь увлажняется за
счет влаги из центра и тем самым уменьшается диффузионное сопротивление.
Кроме того, в результате усадки продукта в процессе сушки, а также
увеличения механической прочности при укладке для повторного досушивания
можно увеличить удельную нагрузку на единицу площади в 3 – 4 раза.
В работе [41] приводятся результаты испытаний и исследований по
созданию оптимальных конструкций гелиовоздухонагревателей для сушки
некоторых сельхозпродуктов. Анализ полученных результатов показывает, что
необходимо уделить внимание на изучение температурного режима работы
солнечных воздухонагревателей и оптимизацию их размеров.
В настоящее время наибольшее количество установок для сушки зерна,
кукурузы, зеленых кормов и сена с использованием солнечной энергии
действует в США, ФРГ, Швейцарии, Италии, Франции и других странах [42]. В
национальной
лаборатории
гражданского
строительства
Лиссабона
проводилась экспериментальная солнечная сушка чернослива и винограда.
Сушка производилась в открытых условиях в солнечной сушилке,
представляющей собой вытянутую прямоугольную камеру, покрытую сверху
пластмассовой пленкой для пропускания солнечного света. В начале и в конце
камеры помещались устройства для нагрева воздуха солнечной радиацией, в
середине – сетчатые сита с фруктами. Для удаления увлажненного воздуха из
камеры предусматривалась вытяжная труба с электрическим вентилятором. В
солнечной сушилке чернослив был высушен за 5 дней, такая же сушка на
открытом воздухе длилась 22 дня. Бланшированный виноград был высушен в
гелиосушилке за 6 дней, а на солнце – за 14 дней, необработанный виноград –
соответственно за 9 и 19 дней. Таким образом, несомненно одно, что сушка
фруктов в солнечных сушилках заслуживает широкого внимания и
последующего внедрения.
М.Аккурт и М.К.Селкун [43] описывают конструкцию, использующую
солнечную энергию с применением вспомогательной нагревательной системы,
питаемой сжиженным газом. В целях ускорения процесса сушки или при
отсутствии солнечного излучения используется газовая горелка. В данном
способе сушки достигается высокое качество продукции и значительная
экономия энергии.
М.Тоучис [44] указывает, что природно-климатические условия Греции
позволяют для сушки продуктов использовать солнечную энергию. Это
экономически целесообразно для установок, работающие при температуре не
выше 60°С. При этом имеются в виду обычные гелиосушилки, аналогичные
установкам стационарного типа со стеклянным покрытием. Для уменьшения
стоимости фруктосушильных установок автор рекомендует использовать
крыши зданий.
Т.А.Лаванд [45] описывает солнечную фруктосушильную установку
камерного типа с естественной циркуляцией теплоносителя. Общее время
сушки сокращается более чем наполовину, обеспечивается более высокое
31
качество продуктов по сравнению с обычной сушкой на открытой площадке.
Естественная циркуляция сушильного агента несколько ограничивает
производительность конвективных сушилок, так как не обеспечивает
интенсивного пронизывания теплоносителем слоя фруктов.
В работе [46] описывается конструкция солнечной сушилки
производительностью 770 кг/день при снижении влажности продукта с 30 до
18%. Нагреваемый воздух (поверхность нагрева 448 м2) направляется
вентилятором в туннель где обрабатываемые фрукты расположены на тонких
буковых планках. Контрольная сушка на воздухе показала значительное
повреждение фруктов, в то время как в солнечной сушилке плоды абсолютно
невредимы.
В г. Фреено (Калифорния, США) работает сушильная установка площадью
1951 м2[47]. Теплоаккумулятор установки содержит 700 тонн щебня и может
отдавать запасенную теплоту для сушки в течение 24 часов. Комбинированная
система удовлетворяет 80% потребностей в тепле. В США западным
региональным центром в Беркли разрабатывался также способы сушки
винограда с использованием солнечных коллекторов [47, 48].
Профессор Дагамэ [49,50] собрал сведения из 142 фирм, занимающихся
гелиосушкой. Причем, большинство гелиосушилок предназначено для сушки
сельхозпродуктов.
Анализ
конструктивных
особенностей
установок
показывает, что все они прерывистого действия. Это обусловлено требованием
простоты при создании гелиоустановок, в то время как непрерывный процесс
требует механизации движения тележек с продуктами, что ведет к
определенному усложнению конструкции. Абсолютное большинство установок
не оборудовано системой аккумулирования тепловой энергии, которая
дорогостоящая и не всегда надежная. В единичных устройствах в. качестве
аккумуляторов используются емкости, заполненные галечником. Во многих
установках применяется принудительная циркуляция. Имеются схемы
гелиосушилок с рециркуляцией воздуха, а также с топливным дублером,
причем использование последнего неукоснительно сказывается на стоимости
установки, одновременно увеличивая эффективность ее использования.
Собранная им информация содержит следующие данные: тип сушилки,
наличие солнечных коллекторов, топливного дублера, аккумулятора тепла,
системы для рециркуляции воздуха; способ циркуляции сушильного агента. В
проделанном Дагамэ обзоре, гелиосушилки сгруппированы между собой по
виду высушиваемого материала. При этом специфичность конкретного вида
сельхозпродукта отражается и на конструкции гелиосушилки. Так, все
гелиосушилки для сена и зерна, не работающие при естественной конвекции,
относятся к камерным типам, и большинство из них снабжены топливным
дублером, в то время как при сушке фруктов и овощей используются все типы
сушилок. Большинство таких сушилок имеют естественную конвекцию. Это
объясняется тем, что большинство сушилок для фруктов и овощей установлено
в развивающихся странах или они предназначены для использования в
домашних условиях.
Экономические и политические аспекты использования гелиосушилок для
32
различных стран имеют свои особенности. Так, в развивающихся странах это
обусловлено,
прежде
всего,
необходимостью
уменьшения
потерь
сельхозпродукции и улучшения качества высушиваемого продукта, что
способствует решению продовольственной проблемы. Солнечная сушка в этих
странах осуществляется при следующих характерных условиях:
- отсутствие энергетического потенциала для проведения сушки;
- недостаточное развитие современных методов хранения свежей
продукции;
- дешевая рабочая сила в сельском хозяйстве.
Солнечная сушка продукции в таких странах конкурирует не столько с
сушилками, имеющие источники тепла, которые работают на органическом
топливе, сколько с природной сушкой на солнце. Таким образом,
использование солнечной сушки в политическом и экономическом выражении
в развивающихся странах заключается не в экономии горючего, а в косвенном
повышении урожайности через сокращение потерь.
В индустриально развитых странах положение совершенно другое. Даже,
несмотря на недостаточную экономическую эффективность солнечных
сушилок их исследование и использование считается капиталовложением на
будущее. В странах с высоким уровнем механизации сельскохозяйственного
производства внедрение солнечных сушилок рассматривается в первую очередь
инвестиционная деятельность, как экономия органического топлива и решение
экологических вопросов. В этих странах солнечная сушка конкурентоспособна
с традиционными сушилками при следующих условиях:
- производительность гелиосушилок не ниже, чем у традиционных;
- затраты труда не превышают затраты на традиционную сушку;
- качество продукции не ухудшается;
- технологический процесс в достаточной степени механизирован и
надежен.
В настоящее время главная проблема сушки сельхозпродуктов, это высокие энергозатраты, снижение которых возможно при следующих условиях:
- оптимизация процесса;
- разработка более прогрессивных методов сушки и технических средств
для их осуществления;
-замена дорогостоящих источников энергии на альтернативные дешевые
виды, в частности, на энергию солнца;
-оптимизация конструктивных схем гелиосушки.
Анализ литературных источников по гелиосушке сельхозпродуктов не
позволяет определить оптимальные варианты использования солнечной
энергии для сушки фруктов, дать точные рекомендации, касающиеся методов и
техники гелиосушки различных видов продуктов. Большинство действующих
установок являются экспериментальными с небольшой лучевоспринимающей
поверхностью, построены они на основе единичных опытных данных. К
сожалению, в настоящее временя нет действующих промышленных установок,
прошедших апробацию, что объясняется отсутствием стандартных методов
комплексного анализа гелиосушилок.
33
Для сушки сельскохозяйственных продуктов, претерпевающих сложные
биохимические превращения, необходимо проведение дополнительных
исследований, направленных на создание рациональных конструкций
гелиосушильных установок, характеристики которых отвечали бы требованиям
производства, то есть, отличались простотой и надежностью в эксплуатации,
имели экономически оправданные показатели.
Авторы указанных выше исследований при выборе типа гелиосушилки
основываются только на двух критериях - сокращение продолжительности
процесса сушки и улучшении качества готового продукта, органически не
связывая технологические, энергетические и экономические аспекты с видами
и объемами высушиваемого материала. Это приводит к несовершенству и
дороговизне принятых конструктивных схем, следствием чего является
относительная низкая эффективность применяемых гелиотехнических
устройств.
Таким образом, в дальнейшем все усилия следует направить улучшение
технологии процесса по упрощению и удешевлению конструкции
гелиосушилок, что позволит их широкое внедрение в агропромышленном
комплексе. Успешное решение этой не только важной народнохозяйственной,
но и сложной научно технической проблемы немыслимо без систематизации
большого многообразия существующих способов гелиосушки и различных
конструкций.
Условная классификация гелиосушилок растительных сельхозпродуктов
дается в упрощенном виде, где отражается направление и выбор способа
сушки, типа установки, обеспечивающего эффективный и качественный
процесс.
При разработке классификации гелиосушилок в работе [51] базировались
на трех основных аспектах – область применения, технологический и
конструкционный. При выборе подкласса гелиосистем в зависимости от
области применения основным фактором является объем высушиваемого
продукта. Выбор способа энергоподвода к материалу базируется на технологии
сушки конкретного вида продукта, обеспечивающей требуемое качество.
Проведение систематизации и классификация установок на основе
конструктивных особенностей дает возможность учесть их особенности и
продолжить работу по их усовершенствованию. Это связано с тем, что имеется
многообразие плодов и овощей, которые необходимо сушить, это и различные
требования по технологии сушки и требования к качеству исходного сырья и
конечного продукта. Ко всему этому относятся и вопросы технологичности,
эргономичности, энергетические и технические параметры, а также
обеспечение рентабельности производства.
Существуют солнечные сушилки прямого и косвенного действия
солнечной энергии [52]. В установках прямого действия солнечная энергия
поглощается непосредственно самим продуктом сушки и окрашенными в
черный цвет внутренними стенками камеры, в которой находится
высушиваемый материал. Солнечная сушилка данного типа показана на
рисунке 1.9. Она имеет верхнюю светопрозрачную пленку, перфорированный
34
стеллаж для размещения материала сушки, боковые стенки (южная стенка — из
светопрозрачного материала), теплоизоляцию с отверстиями для поступления
воздуха а так же основание. Для удаления влажного воздуха из сушилки в
верхней части северной стенки проделаны отверстия.
1 - светопрозрачная пленка; 2 - стеллаж для материала; 3 - стенка;
4 - теплоизоляция; 5 - основание, 7 - отверстия; 6 – фундамент
Рисунок 1.9- Солнечная сушилка с непосредственным облучением влажного
материала
Сушильные установки косвенного действия включают солнечный
воздухонагреватель и шахтный или туннельный корпус. В шахтной солнечной
сушилке воздух движется через слой высушиваемого материала, размещенного
на сетчатых стеллажах, снизу вверх, туннельная сушилка может иметь
конвейерную ленту по которой движется материал в то время как воздух
(сушильный агент) движется противотоком в обратном направлении.
Примеры конструктивного выполнения камерных гелиосушилок можно
рассмотреть ниже.
Простая в исполнении солнечная сушилка с применением полимерной
пленки может быть изготовлена согласна рисунка 1.10. Данная сушилка
работает на естественной тяге. Воздух нагревается в солнечном
воздухонагревателе и по воздуховоду поступает в нижнюю часть сушильной
камеры, где на перфорированных стеллажах (сетках, решетках) размещается
материал сушки.
1 - полиэтиленовый воздухонагреватель; 2 - воздуховод; 3 - решетка;
4 - сушильная камера; 5 – козырек
Рисунок 1.10 - Камерная солнечная сушилка с полиэтиленовым
воздухонагревателем
Прогретый воздух продвигается в сушильной камере снизу вверх сквозь
слой материала и удаляется из камеры через отверстия вдоль крыши козырька
35
Материалы для изготовления стенок сушильной камеры могут быть как
теплоизолированные так и из светопрозрачных матералов.
Воздухонагреватель может изготовляться из полимерной пленки,
натянутой на деревянный или проволочный каркас. Желательно верхнею
поверхность нагревателя изготовлять из прозрачной пленки, а нижнюю часть
— из черного материал.
Также существует возможность выполнения в виде двух цилиндрических
поверхностей - внутренней черной а наружной из прозрачной (рисунок 1.11).
Солнечная камерная сушилка с использованием вентилятора приведена на
рисунке 1.12. Она состоит из: воздухонагревателя; сушильной камеры;
вентилятора. В теплоизолированном воздухонагреватели с прозрачной
изоляцией из стекла или полиэтилена находится черная светопоглощающая
поверхность из гофрированного железа. Горячий воздух проходя через
воздуховод попадает в сушильную камеру с перфорированными стеллажами
для материалов сушки, которая установлена на опорах и сверху накрыта
крышкой-козырьком.
Рисунок 1.11- Воздухонагреватель из прозрачной (1) и
черной (2) полимерной пленки
На рисунке 1.13 показана конструкция солнечной сушилки с естественной
вентиляцией, отличающаяся конструкцией воздухонагревателя. Две секции
воздушного коллекторов матричного типа находятся в теплоизолированном
корпусе из оцинкованного железа
1 - воздухонагреватель; 2 - сушильная камера; 3 - вентилятор; 4 –теплоизолированный корпус; 5 - светопрозрачная изоляция; 6 - абсорбер; 7 воздуховод; 8 - опора; 9 – крышка – козырек
Рисунок 1.12- Камерная солнечная сушилка с вентилятором и гофрированным
абсорбером воздухонагревателя
36
Солнечная энергия поглощаемая в матрице которая в свою очередь
состоит из двух рядов металлических сеток покрашенных в черный цвет и
наполнителем из металлических частиц (стружка) между ними. Допускается
изготовление с применением нескольких слоев черной сетки. Разогретый
воздух поступает в камеру сушилки, которая имеет конусную форму и
несколько рядов сеток, на которые укладывается материал для сушки. Для
каждого слоя материала имеются специальные перегородки вертикального типа
с целью подачи воздуха под каждый слой. Данная гелио сушилка имеет
высокую эффективность. КПД солнечного коллектора, который достигает 75%
из – за большого расхода воздуха [0,5 м3/с или 0,13 кг/(с·м2)]. При этом потери
давления — не превышают 250 Па.
1 - корпус воздухонагревателя; 2 - остекление; 3 - пористая лучепроглощающая
насадка; 4 - сушильная камера; 5 - решетка для материала;
6 - перегородка; 7 – козырек
Рисунок 1.13- Солнечная сушилка с пористым абсорбером воздухонагревателя
Из прозрачной и черной полиэтиленовой пленки может получится простая
солнечная сушилка. (рисунок1.14). На каркас из дерева натягивается
полиэтиленовая пленка толщиной 0,1 мм, а дно сделано из черной
полиэтиленовой пленки (0,1 мм). В свою очередь черная пленка может быт
уложена на какую -нибудь тепловую изоляцию. Длина и ширина коллектора
равны 30 м и 4,6 м. Нагретый воздух поступает в цилиндрическую камеру
диаметром 1,5 и высотой 1,8 м, в которой размещается 1,75 т
сельскохозяйственного продукта (зерна) в несколько слоев толщиной по 150
мм.
1 - прозрачная полимерная пленка; 2 - черная пленка на настиле для
размещения продукта; 3 - теплоизоляция; 4 - боковые стенки
Рисунок 1.14 - Солнечная сушилка из пленки
37
Конструкция высокоэффективной гелио сушилки для разных видов
сельхозпродуктов на рисунок 1.15, с воздушным коллектором который
изготовляется из нескольких модулей площадью по 5 м2, которые при их сборке
образуют Т – образную панель, которая устанавливается в наклонном
положении на крыше помещения.
1 - модуль воздухонагревателя; 2 - сушильный бункер; 3 - вентилятор;
4 - воздухораспределитель; 5 – воздуховод
Рисунок 1.15- Солнечная гелио сушилка с воздухонагревателем модульного
типа
Внутри помещения размещаются:
- бункер вертикального типа для загрузки продуктов сушки;
- вентилятор;
- камера воздухораспределения.
Панели солнечного коллектора подсоединены к вентилятору при помощи
воздуховода. Поверхность воздушного коллектора изготовлена из пористой
матрицы интенсивно улавливающая солнечное излучение Боковые и задняя
стенки корпуса с теплоизоляцией внутри изготовлены из оцинкованного
железа.
Обычно модули имеющие ширину 4,2 м и длину 2,5 м соединяют
последовательно. К одному вентилятору подсоединены две панели каждая по
14,5 м длинной. Вентилятор прогоняет воздух через солнечный коллектор.
При сушки семян либо зерновых культур в вентилируемом
горизонтальном или вертикальном бункере может быть использован нагретый
воздух с температурой на 2 - 3°С выше чем температура окружающей среды.
Для исключения конденсации водяных паров к примеру в неустойчивые
погодные дни данная сушилка имеет некое ограничение по высоте слоя. При
сушке лекарственных трав а также сена допускается использование следующих
методов:
-сушка воздухом при температуре 30°С либо при температуре 40 - 80°С;
-проветривание теплым воздухом 10°С;
-прогон не разогретого наружного воздуха а также сушка в естественных
условиях (на земле).
Расход энергии при с использованием солнечной энергии меньше, чем при
работе сушилки на жидком топливе, и приблизительно равен расходу энергии
38
при сушке не подогретым воздухом. В системе применяется воздушный
коллектор солнечной энергии, в котором температура воздуха повышается на
20°С в яркий солнечный день и на 1°С в пасмурный облачный день.
Исходя из этого влажность лекарственных трав снижается примерно на 5%
в пасмурную погоду. В качестве солнечного коллектора солнечной энергии
можно использовать обычные стекленные солнечные коллекторы либо крыша
постройки, внизу которой монтировано дно солнечного коллектора и при
помощи вентилятора происходит прогон воздуха.
Рассмотрена гелиосушилка с дополнительными коллекторами которая
содержит вертикальную камеру 1, теплоизолирующие стенки 2, основание 3 и
перфорированное дно 4, крышку с вытяжной трубой 5, солнечный нагреватель
6, который имеет связь с поддонным пространством 7 в котором в свою очередь
находятся аккумуляторы тепловой энергии 8, направляющие в сушильной
камере для размещения приспособлений с продуктом 9 и дополнительные
солнечные нагреватели воздуха 10, имеющие светопоглощающие элементы
(рисунок 1.16).
1 - корпус; 2 –теплоизолирующие стенки; 3 - пористое основание; 4 –
перфорированное дно; 5 –вытяжная труба; 6 –солнечный нагреватель; 7 –
поддонное пространство; 8 – аккумуляторы тепловой энергии;
9 – продукты сушки; 10 – дополнительные нагреватели
Рисунок 1.16 – Гелиосушилка с дополнительными нагревателями
При этом каждый дополнительный нагреватель воздуха выполнен в виде
камеры нагрева с приточным каналом во внешней стенке.
На внутренней нижней поверхности солнечного нагревателя выполнены
винтообразные канавки, продольно расположенные от входного отверстия до
канала, соединяющего солнечный нагреватель с поддонным пространством. На
нижней внутренней поверхности стенки каждого дополнительного нагревателя
выполнены канавки в виде концентрических окружностей.
При этом нижняя стенка солнечного нагревателя выполнена из биметалла,
причем материал биметалла со стороны внутренней поверхности солнечного
нагревателя имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем
39
коэффициент теплопроводности материала со стороны наружной поверхности
солнечного нагревателя.
Гелиосушилка позволяет поддерживать необходимые параметры процесса
сушки продукта даже при наличии в воздухе загрязнений в виде
междисперсных твердых и каплеобразных частиц [53].
Использование гелиосушилки для сушки сельскохозяйственной продукции
накладывает на нее определенные требования. Они формируются из задач,
выполнение которых является первостепенно важной для сушимых материалов:
чистота; сохранение питательных и вкусовых качеств исходного продукта;
равномерность сушки по всему объема продукта; эффективное использование
полученной энергии. Для выполнения этих задач гелиосушилка должна
обладать, кроме должных технологических и конструктивных параметров, и
теплоизоляционными показателями, что должно обеспечивать экономное
использование энергии солнца, принятой солнечным коллектором.
Следовательно, материалы элементов конструкции гелиосушилки должны
обладать соответствующими теплофизическими свойствами.
Кроме теплофизических характеристик материалов представляет
определенный интерес их цена на рынке, чтобы производителю, решившегося
на построение и использоание гелиосушилки, материалы были доступны.
Определенный
интерес
представляет
весовая
характеристика
используемых для построения гелиосушилок материалов, в особенности, если
сушилка либо передвижная, либо подвижная, т.е. совершает вращательное
движение вслед солнцем, например, азимутальное слежение за солнцем. Для
достижения большой производительности гелиосушилки, обычно это
достигается увеличением площади ловушки солнечной энергии, увеличивают
габариты сушилки. Это приводит к утяжелению конструкции и,
соответственно, увеличению указанных выше сопротивлений перемещению.
Следовательно, конструктивные элементы гелиосушилки необходимо
изготовливать из материала как можно с меньшей плотностью, естественно не
ухудшая, при этом, необходимых их теплофизических характеристик и не
повышая стоимостных показателей.
1.6 Постановка задач исследований
Обзор научно - исследовательских работ и опыта передовой практики
показывает, что эффективность производства сушеных продуктов
растительного происхождения оценивается следующими основными
показателями: производительностью оборудования, энергоемкостью процессов,
качеством получаемой продукции. Наиболее существенное влияние на эти
показатели оказывает процесс тепловой обработки материала, определяемый
конструктивной особенностью теплового аппарата.
Известные способы производства сушеных продуктов для малых
товаропроизводителей являются неприемлемым из-за высокой энергоемкости.
Большинство используемые сушильные аппараты для производства сушеных
продуктов растительного происхождения работает на жидком или газообразном
топливе. Когда мировая цена на такие энергоресурсы растет большими
40
темпами, себестоимость получаемой продукции не может быть оправданным. С
другой стороны, качественные показатели в отдельных устройствах снижает
биологическую ценность получаемой продукции в результате перемешивания
газов топлива с воздухом.
Тепловая обработка растительного материала в сушилках с
использованием солнечной энергии являются более простой и эффективной как
по технологии сушки, так и по конструкции сушильной техники.
Таким образом, разработка сушильного устройства для тепловой
обработки растительного материала, учитывающая указанные недостатки,
выполняемая из доступных современных материалов, обеспечивающих,
достаточную пропускную способность солнечной энергии и эффективное
использование полученной энергии требует дальнейших научных исследований
и изысканий в теории процесса для ее практической реализации.
Анализ работ по конструкции существующих средств сушки при
производстве сушеных растительных продуктов показал, что на ее основные
показатели влияют способ передачи тепла и режим сушки.
В отдельных работах интенсивность процесса сушки достигается за счет
уменьшения размеров частиц материала. Как известно, при этом увеличивается
площадь поверхности теплообмена.
Учитывая вышеизложенные для уменьшения пассивных зон в камере
сушки а также перегрева продуктов сушки, предлагается гелиосушилка
шахтного типа с дополнительным нагревательным коллектором [54].
Под воздействием температуры и скорости воздуха, являющимися
основными факторами, в процессе тепловой обработки изменяется физикомеханические и теплофизические свойства обрабатываемого продукта. В связи
с эти необходимо уточнение характера и пределов изменения плотности,
коэффициентов трения и теплофизических свойств для разработки и расчета
конструктивных размеров сушилки.
На основании вышеизложенного целью работы является интенсификация
процесса производства сушеных продуктов растительного происхождения с
использованием солнечной энергии путем применения дополнительных
коллекторов и теплоаккумулирующих устройств в гелиосушилке шахтного
типа.
Для достижения указанной цели необходимо решать следующие задачи:
– изучить физико - механические и теплофизические свойства
плодоовощного сырья;
– обосновать и разработать более рациональную гелиосушильную
установку, способную обеспечить производство сушеных продуктов
растительного происхождения с минимальными технико-экономическими
затратами;
– теоретически и экспериментально обосновать основные конструктивные
и технологические параметры гелиосушилки;
– провести лабораторные и производственные испытания гелиосушильной
установки;
– определить экономическую эффективность гелиосушилки.
41
Для систематизации проведения научных исследований разработан
алгоритм – прогноз исследований, представленный рисунке 1.17.
Рисунок 1.17 – Алгоритм- прогноз исследований
42
Выводы по 1 разделу
1. Проведен анализ состояния производства и переработки плодоовощной
продукции в Республике Казахстан. Показан изкий уровень потребления из-за
нехватки производственных мощностей отрасли по хранению.
2. Сушка является одним из основных путей снабжения населения
плодоовощными продуктами в период отсутствия свежих продуктов.
3. Традиционная сушка плодов и овощей имеет более высоко затратные
технологии и технологические средства с использованием жидкого,
газообразного топлива и электрической энергии (от 1,5 до 2,5 кВт).
4. Более перспективным для сушки является использование солнечной
энергии, которая имеет низкие затраты, качественные показатели сушеных
продуктов овощей и плодов, относится к экологическому способу
производства. Однако имеет низкую производительность.
5. Для повышения интенсификации гелиосушилки следует более глубокое
изучение физико – механических и теплофизических свойств сырья,
совершенствование процесса сушки путем использования современных
методов исследования.
43
2 ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ПРОЦЕСС
СУШКИ ПРОДУКТОВ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
2.1 Программа и методика исследований
Сушка плодов овощей и бахчевых культур является весьма сложным
технологическим процессом. При сушке влага удаляется в виде пара или
жидкости. Сырье подвергаемой к сушке, в процессе и после тепловой
обработки изменяет свои первоначальные свойства, причем характер и
скорость этих изменений будут различными для каждого из компонентов
(кожура, мякоть и семена), входящих в состав сырья. Закономерности
изменения свойств однородных капиллярно-пористых материалов, при их
влаготепловой обработке достаточно обширно рассмотрены в работах ученых
П.А.Ребиндера, А.В.Лыкова, А.С.Гинзбурга и других авторов [55-62].
Совершенствование и интенсификация процессов тепловой обработки
невозможно без знания свойств материалов, подвергаемых к сушке. Известно,
что только часть удаляемой влаги является свободной, а остальная часть почти
до 20% и более – связанной. Вид связанной влаги академик П.А.Ребиндер
подразделил на капиллярную, адсорбционную, химическую и осмотическую.
Среди них наиболее прочно связана с веществом из них химическая влага.
Если для удаления одних видов связанной влаги потребуется только
быстрый подвод значительного количества тепла и максимальная поверхность
контакта высушиваемого материала с теплоносителем, то для других
материалов имеющих отличительную структуру, необходимо определенное
время для перемещения влаги к поверхности материала и последующего ее
испарения. В данной работе для удаления влаги, с учетом особенности сырья,
предложено, не высокотемпературный конвективный нагрев, причем прямое
попадание изучения исключено для сохранения качества продукта. Поэтому
управление сложными процессами переноса влаги, теплоты, перемещения
водорастворимых минеральных и органических веществ невозможно без
знания свойств материала подвергаемого обработке, характеризующих
название процесса.
Большинство исследователей занимавшихся вопросами тепловой
обработки и их подготовкой перед сушкой, отмечают, что энергоемкость
процесса термообработки и качество получаемого продукта в общем случае
зависят как от физико-механических свойств исходного материала (объем
массы плодов, коэффициентов трения), так и от теплофизических
характеристик (теплопроводности, теплоемкости, температуропроводности).
Указанные характеристики сырья могут изменяться в широких пределах, в
зависимости от состояния материала (влажности, температуры, плотности,
физико-химического состава) [63-65].
Продукты растительного происхождения, в частности фрукты овощи и
бахчевые культуры содержат высокомолекулярные и белковые вещества,
длительное воздействие высоких температур на которые может привести к
необратимым изменениям и ухудшению качества получаемого продукта. В
связи с этим важное значение имеет показатель термоустойчивости
44
рассматриваемого материала оценивающей максимально допустимую
температуру и время температурного воздействия, при котором не происходит
денатурации (расщепления) белков [66]. Для обоснованного выбора
конструкции, технологического режима и конструктивных материалов, при
разработке и изготовлении устройства для тепловой обработки необходимо
иметь данные о временно-температурных характеристиках начала тления и
возгорания продуктов переработки, а также способность их к пригоранию на
поверхностях теплоотдачи.
Программой работ было предусмотрено определение теплофизических
характеристик и физико-механических свойств овощей и бахчевых культур
подвергаемые к тепловой обработке. К теплофизическим свойствам следует
отнести
коэффициенты
теплоемкости,
теплопроводности
и
температуропроводности, а к физико-механическом свойствам - коэффициенты
трения. Эти показатели изменяются в большинстве случаев от влажности,
температуры и плотности обрабатываемого материала, а коэффициенты трения
также зависит от вида и обработки материала поверхности трения. При
исследовании использованы различные сорта плодов дынь, отдельные сорта
яблок, баклажан, перца и укропа, выращиваемых в условиях Республики
Казахстан.
2.1.1 Плотность исследуемого материала
В исследовании по определению плотности материала в качестве
экспериментальных образцов были использованы несколько культур:
болгарский перец, баклажан, яблоко и дыня.
Плотность исследуемого материала определялась при помощи
пикнометрического метода (рисунок 2.1) и подсчитывалась по формуле
ф 
m0
,
V2  V1
(2.1)
где m0- масса образца, кг;
V1- объем жидкости, м3;
V2 -объем образца и жидкости, м3.
При проведении опытов оценивалось влияние влажности и плотности
исследуемого материала на теплофизические свойства. Влажность измерялась в
пределах до 92,6% при фиксированных температурах исследуемого материала
соответственно 302+ 1К и 363+ 2К. С целью приближения процесса к
реальному, происходящих в сушильных установках, для сушки использовались
различные партии сырья, предварительно измененные значения влажности.
Истинная влажность материала прошедшего исследование определялась
по ГОСТ-13496.3-80 методом высушивания [67].
Обработка результатов опытов по определению плотности исследуемого
материала проводилась методом математической статистики [68].
45
1 – штатив; 2 - цилиндрическая емкость; 3 – жидкость;
4 - исследуемое сырье; 5 - наклонная мерная труба
Рисунок 2.1- Схема и общий вид прибора для определения плотности
2.1.2 Определение углов и коэффициентов трения
Углы трения по стальной поверхности без давления определялись в покое
и в движении на приборе, схема которого представлена на рисунке 2.2. На
поверхности стального листа 1, находящегося в горизонтальном положении,
свободно размещался исследуемый материал произвольной массы. Затем лист
в ручную поднимался лебедкой 4 до тех пор, пока исследуемый материал не
приходил в движение. Положение листа фиксировалось, и замерялся угол его
наклона, с помощью секторного механизма 6. При определении углов трения в
движении лист 1 поднимается на фиксированный угол и на него размещается
определенная порция исследуемого материала. По мере увеличения угла
наклона листа 1, фиксировалось положение, при котором исследуемый
материал, начинал движение без задержки по поверхности трения. Для
достоверной оценки углов трения опыты проводились в пятикратной
повторности. Температура и влажность исследуемого материала во всех опытах
поддерживалась в пределах: температура 302+1 К, влажность 10+2%.
46
1 - стальной лист; 2 - станина горизонтальная; 3 - вертикальная опора;
4 - конечный блок; 5 - промежуточный блок; 6 - секторный механизм;
7 - нить для привода стального листа
Рисунок 2.2 – Схема и общий вид прибора для определения углов
естественного откоса и трения по стальной поверхности
Коэффициент трения от различных факторов (давления, скорости,
влажности), определялись на установке, предназначенной для определения
коэффициента трения сельскохозяйственных материало, в пределах оть 500 до
1500 Па схема которого представлена на рисунке 2.3.
47
1 – стол- площадка; 2 – коробка; 3- исследуемое сырье; 4 – груз; 5 - стальная
пластина; 6 – тензодатчик; 7 – трос; 8- конечный выключатель; 9 – блок;
10 – мотор-редуктор; 11 – блок управления
Рисунок 2.3–Схема и общий вид установки для определения коэффициентов
трения
Коробка заполняется исследуемым материалом и приводится в движение
от мотора редуктора при помощи тяговой нити по стальной пластине. Величина
нормального давления на поверхности трения изменялась разбором груза.
Скорость перемещения коробки осуществлялась путем изменения частоты
электрического тока с использованием частотного преобразователя при этом
скорость менялась начиная от 0,107 м/с до 0,57 м/с. Усилие на перемещение
коробки с исследуемым материалом фиксировалось тензометрической
системой.
При определении коэффициентов трения исследуемого материала по
стальной поверхности сначала определялось на перемещение коробки без
сырья в момент его сдвига и при установившемся движении перемещаемой
коробки [69]. Затем коробка заполняется исследуемым материалом, и вновь
фиксировался начальный момент сдвига коробки с исследуемым материалом
при установившемся движении ее по стальной поверхности. Опыты при других
режимах были аналогичными.
После обработки осциллограмм по тарировочному графику определялось
истинное значение усилий на перемещение исследуемого сырья.
Коэффициенты трения рассчитывались по формулам:
- для статистических коэффициентов трения
48
fc 
Fc
,
Pc
(2.3)
- для динамических коэффициентов трения
fд 
Fд
,
Pд
(2.4)
где fc и fд - соответственно статический и динамический коэффициент трения;
Fc и Fд - сила трения в начальный момент сдвига коробки и при
установившемся движении, Н;
Рс и Рд - сила нормального давления, Н.
Вся серия опытов проводилась в 3-кратной поверхности при изменяемых
значениях нормального давления, скорости перемещения, температуры и
влажности исследуемого материала.
2.1.3 Определение теплофизических свойств
Плоды и овощи по структурным состояниям относятся к капиллярнопористым материалам. Перенос теплоты в таких многофазных системах
неотделим от переноса влаги, связанной с веществом. Движение влаги, воздуха
и паровоздушной смеси осложняет ведение опытов, что также сказывается на
точности измерений. Известные методы стационарного теплового режима
менее эффективны, что объясняется продолжительностью ведения опыта и
возможности миграции воды и пара [70]. Одним из наилучших методов
является «Метод шарового бикалориметра» [71]. Преимущество этого метода
заключается в отсутствии «Паразитных» потерь тепла. Поскольку тепло от
нагревателя проходит сквозь образец материала, имеющего форму шарового
слоя. Поэтому по принципу Кондратьева Г.М. [72,73] был изготовлен шаровой
бикалориметр (приложение Б). Схема бикалориметра представлена на рисунке
2.4.
6
5
1 2
3
4
1 - эбонитовый стержень; 2 - электрическая лампа; 3 - внутренний шар;
4 – наружный шар; 5, 6- внутренние и наружные термопары
Рисунок 2.4 - Схема шарового бикалориметра
49
Бикалориметр состоит из 2-х медных тонкостенных шаров 1 и 2.
Внутренний диаметр наружного шара 77,6 х 10-3 м, а наружный диаметр
внутреннего шара 42,3 х 10-3 м. В полость между шарами загружается
исследуемый материал. В центре внутреннего шара установлена электрическая
лампочка, которая служит источником теплового потока. Потребляемая
мощность лампочки фиксируется по показанию ваттметра, а изменение
мощности производится лабораторным автотрансформатором (ЛАТР).
Для
измерения
температуры
используются
хромель-копелевые
термометры, начеканенные на поверхности шаров. При полном заполнении
исследуемого сырья считалось, что температура слоя, непосредственно
прилегающего к поверхности шаров, равна температуре стенки шаров. Поэтому
термопары заделываются на внутренней поверхности стенки внешнего шара и
на внешней поверхности стенки внутреннего шара.
Термоэлектродвижущие
силы
(ЭДС)
термопар
измеряются
потенциометром (рисунок 2.5, 2.6).
Рисунок 2.5 - Электрическая схема установки
1 - лабораторный автотрансформатор; 2 –регулятор напряжения;
3 – амперметр; 4 – вольтметр; 5 – бикалориметр; 6 – термостат;
7 – регистратор температур; 8– мешалка
Рисунок 2.6 - Общий вид установки для определения теплофизических
характеристик
50
Термопары подключены к регистратору температур. Исследуемый
материал, имеющий определенную влажность, загружается в полость
бикалориметра. После чего бикалориметр опускался в термостат, заполненный
трансформаторным маслом. Температура масла в термостате поддерживалась
постоянной для каждого опыта. С целью обеспечения условия ά → ∞ масло
интенсивно перемешивалось (α - коэффициент теплообмена). При этом
внутренний источник тепла (лампочка) не включался. В момент опускания
бикалориметра в термостат записывалось изменение температур  – на
наружном слое сферы и U через каждые 30 с.
Вводя замену   U  V , по наблюдениям строился график нагревания в
виде функции lnV = f (τ) (рисунок 2.7). С помощью двух точек (Р1 и Р2) на
графике темп нагрева подсчитывается по зависимости
m
ln V  ln V .
1
2
1  2
(2.6)
По назначению темпа нагрева системы подсчитывался коэффициент
температуропроводимости
а = K · m,
(2.7)
где К– коэффициент формы тела.
ln
Р1
tgβ =m
Р2
ln
ln

0

С
n
Рисунок 2.7 - Экспериментальное определение темпа нагревания системы
Рассматривая бикалориметр как аколориметр с полостью внутри,
коэффициент формы подсчитывается по зависимости
К
2
2
где δ = R2 - R1– толщина шарового слоя.
51
,
(2.8)
Буквой μ обозначен наименьший положительный корень уравнения
Ф( )  tg  
где R 

R 1
,
(2.9)
R2
.
R1
После окончания записи показаний регистратора при той же температуре
жидкости в термостате включался источник тепла (лампочка). В момент
установления регулярного теплового режима, о чем судят по постоянству
показаний всех измерительных приборов, фиксировались показания термо ЭДС
на внутренней и наружной поверхностях шарового слоя. Затем также
производился следующий опыт при другом температурном режиме, для чего
изменилась сила тока, питающая лампочку.
Поскольку основными влияющими параметрами на теплофизические
свойства сырья являются влажность и температура, исследование проводилось
в два этапа [74, 75]. На первом этапе, оценивалось влияние влажности
исследуемого сырья. На втором этапе, до проведения опытов, проводилась
тепловая обработка исследуемого сырья до определенной температуры при
постоянной влажности сырья. Во всех опытах фиксировались начальная
влажность и температура сырья. Коэффициент теплопроводности исследуемого
материала вычислялся по формуле
1
1

)
,
R
R
1
2

4 (t
t
)
c1
c2
Q(
(2.10)
где Q - тепловой поток, проходящий от внутренней поверхности к внешней
поверхности шарового слоя исследуемого материала, Вт;
R1, R2- радиусы внутренней и внешней сферических поверхностей, мм;
tс1, tс2- температура внутренней и внешней поверхности шарового
слоя, К.
Тепловой поток определялся по расходу электроэнергии в лампочке, как
Q=W,
(2.11)
где W - мощность, потребляемая лампочкой, Вт.
Полученное значение коэффициента теплопроводности следует относить к
средней температуре исследуемого материала
t
c
t 1
t
c
2 ,
(2.12)
2
По известным значениям теплопроводности и температуропроводности
определялся коэффициент удельной теплоемкости
52
𝐶=
𝜆
𝑎𝜌
.
(2.13)
Разработанное устройство и методика ведения эксперимента были
проверены на эталонном материале - очищенном речном песке со средним
размером частиц до (0,2+ 0,05) х 10-3 м.
Опыты проводились на пяти уровнях в заданных пределах варьирования
факторами: влажность от 90% до 10%, температуры от 323 К до 393 К,
плотности от 925 кг/м3 до 1200 кг/м3. Опыты проводились в трехкратной
повторности.
2.2 Результаты исследования
2.2.1 Углы и коэффициенты трения
Внутренний угол трения по стальной поверхности без давления для перца,
баклажан, яблок и мякоти дыни составляли соответственно α=21, α=22, α=24,
α=27 градусов.
Результаты исследования по определению коэффициента трения сырья от
нормального давления представлены в виде графиков соответственно на
рисунках 2.8, 2.9, 2.10 и 2.11.
Рисунок 2.8 - Зависимость коэффициента трения перца от нормального
давления при различных скоростях
Рисунок 2.9 - Зависимость коэффициента трения баклажана от нормального
давления при различных скоростях
53
Рисунок 2.10 - Зависимость коэффициента трения яблока от нормального
давления при различных скоростях
Рисунок 2.11 - Зависимость коэффициента трения дыни от нормального
давления при различных скоростях
Характер полученных зависимостей свидетельствует о том, что величина
коэффициента трения с повышением нормального давления для всех
исследуемых материалов в пределах от 561,8 до 955,0 Па снижается. Это
явление подтверждает стремление кривых зависимостей к своим нижним
предельным значениям, когда между перемещаемыми поверхностями
образуется жидкая среда в различной степени. С увеличением скорости
перемещения сырья в пределах от 0,107 до 0,570 м/с наблюдалось возрастание
всех коэффициентов трения. Причем, в пределах давления от 550 до 950 Па,
если для дыни, яблока и перца изменение коэффициента трения наблюдалось от
0,05 до 0,13, то для баклажана от 0,12 до 0,25. Наличие разного коэффициента
трения для каждой культуры, объяснимы появлением разного количества
жидкого слоя на поверхности трения за счет выдавливания. Слабое изменение
коэффициентов трения, при малых скоростях относительного перемещения,
объясняется тем, что при малых скоростях влага играет роль смазки и поэтому
сопротивление будет небольшим. С увеличением скорости перемещения
образуется недостаточная пленка воды в результате нехватки жидкого слоя
происходит граничние трение которое создает повышенное сопротивление и
способствует возрастания коэффициента трения.
54
2.2.2 Теплофизические свойства
В пределах изменения значений коэффициентов температуропроводности
(а), теплопроводности (λ) и теплоемкости (с), для перца, баклажана и дыни
получены соответствующие математические зависимости от влажности (W),
температуры (Т) и плотности (ρ).
Теплофизические коэффициенты перца представлены в виде зависимостей
от влажности, температуры и плотности на рисунках 2.12, 2.13, 2.14.
а-температуропроводность;  -теплопроводность; с- теплоемкость
Рисунок 2.12 - Влияние влажности на теплофизические характеристики
измельченного перца
а-температуропроводность;  -теплопроводность; с- теплоемкость
Рисунок 2.13 - Влияние температуры на теплофизические характеристики
измельченного перца
а-температуропроводность;  -теплопроводность; с- теплоемкость
Рисунок 2.14 - Влияние плотности на теплофизические характеристики
измельченного перца
55
Закономерности изменения расматриваемых констант от влажности
показали, что зависимости подчиняются параболическому закону в конечных
значениях влажности растет быстрее теплопроводности. Коэффициент
температуропроводности в начале эксперимента резко снижается и затем
возрастает. Коэффициент теплоемкости также является кривой второго
порядка. Достигает максимального значения при 4000 Дж/кг·К.
Результаты исследований теплофизических характеристик баклажан, в
виде графиков представлены на рисунках 2.15, 2.16, 2.17.
а-температуропроводность;  -теплопроводность; с- теплоемкость
Рисунок 2.15- Влияние влажности на теплофизические характеристики
баклажан
а-температуропроводность;  -теплопроводность; с- теплоемкость
Рисунок 2.16 - Влияние температуры на теплофизические характеристики
баклажан
а-температуропроводность;  -теплопроводность; с- теплоемкость
Рисунок 2.17- Влияние плотности на теплофизические характеристики
баклажан
56
Графические зависимости теплофизических констант от влажности
баклажана представленные на рисунке 2.15 показывает, что все константы в
пределах влажности 83% до 90% уменьшаются близко к линейному закону,
после 90% влажности коэффициенты теплоемкости и теплопроводности снова
возрастают, а коэффициент температуропроводности продолжает уменьшаться
по линейному закону.
Изменение теплофизических констант баклажана от температуры
объясняется закономерностью между этими константами согласно формулы
(2.13), где коэффициент температуропроводности и теплоемкости обратно
зависимые. Также зависимости этих констант от плотности показывают для
температуропроводности линейную зависимость, для температуропроводности
параболическую зависимость, которая возростает от значения влажности.
Теплоемкость представлена в виде убывающей функции.
Результаты исследований теплофизических свойств яблока представлены в
виде графиков (рисунки 2.18, 2.19, 2.20).
а-температуропроводность;  -теплопроводность; с- теплоемкость
Рисунок 2.18- Влияние влажности на теплофизические характеристики яблока
а-температуропроводность;  -теплопроводность; с- теплоемкость
Рисунок 2.19 - Влияние температуры на теплофизические характеристики
яблока
57
а-температуропроводность;  -теплопроводность; с- теплоемкость
Рисунок 2.20 - Влияние плотности на теплофизические характеристики яблока
Коэффициент теплопроводности от влажности яблок выглядит как кривая
второго порядка, причем возрастает с увелечением влажности. Это обяснимо
тем, что все поры материала заполнены жидкостью и такое явление происходит
с коэффициентом теплоемкости яблок как линейная функция. Коэффициент
температурапроводности выглядит обратно зависимой с коэффициентом
теплоемкости. Это вполне обосновано согласно формулы (2.13). Изменение
всех теплофизических констант от температуры яблок происходит в
возростающем режиме. Причем коэффициенты температуропроводности и
теплопроводности повышаются незначительно, почти линейно, в конце
изменения температуры присходит выравнивание. Коэффициент теплоемкости
более резко возрастает, затем снижает свой темп.
Повышение температуры более значительно влияет на теплоемкость за
счет увелечения объема жидкости в порах, в скелете материала увеличивается
воздух. При повышении плотности яблок происходит уменьшение
коэффициента температуропроводности. Это объясняется уменьшением
жидкой среды в скелете. Температуропроводность в начальный момент
повышения плотности снижается. Это объяснимо тем, что влага не успевает
нагреваться начиная с 1000 кг/м3 плотности. Теплопроводность резко
возрачстает в пределах от 1000 до 1100 кг/м3. С коэффициентом теплоемкости
теплоемкостью происходит обратное явление, как перевернутая парабола.
Максимальное значение при влажности 1000 кг/м3.
Результаты исследований теплофизических характеристик дыни
представлены в виде графиков на рисунках 2.21, 2.22 и 2.23.
а-температуропроводность;  -теплопроводность; с- теплоемкость
Рисунок 2.21- Влияние влажности на теплофизические характеристики дыни
58
а-температуропроводность;  -теплопроводность; с- теплоемкость
Рисунок 2.22 - Влияние температуры на теплофизические характеристики дыни
а-температуропроводность;  -теплопроводность; с- теплоемкость
Рисунок 2.23 - Влияние плотности на теплофизические характеристики мякоти
плодов дыни
Зависимости теплофизических констант от влажности описываются
кривыми второго порядка и наблюдается с ростом влажности повышение всех
трех констант. Это объясняется, что увеличение массовой доли свободной
влаги в местах соприкосновения частиц материала, играющей роль «Теплового
мостика», способствует созданию лучших условий для передачи частоты.
Фактор температуры усиливает роль влаги, как средств теплопередачи от одной
частицы к другой.
При этом перенос теплоты происходит и за счет переноса теплоты. Таким
образом, при повышенных температурах одновременно может происходить два
процесса:
-перенос теплоты за счет теплопроводности;
-частичный перенос теплоты путем массообмена.
С ростом температуры все константы теплофизических характеристик от
температуры возростают. Причем, коэффициент температуропроводности
ближе к линейному закону хотя является кривой второго порядка. Это явление
можно объяснить тем что влага внутри материала выполняет теплопередачу
равномерно по линейной зависимости. График теплопроводности от
температуры сначала резко возрастает и в пределах 360 К достигает своего
максимального значения и далее убывает. Это объяснимо тем, что с нагревом
влаги в порах материала при повышенных температурах (выше 360 К)
появляется воздушное пространство которое слабо проводит тепло.
59
Теплоемкость от темературы слабо возрастает с ростом температуры
подчиняется линейному закону. Однако в пределах эксперимента оптимальная
точка не наблюдается.
Изменение выше названных констант от плотности мякоти дыни
показывает убывание их функциональной зависимости по линейному закону.
Следует отметить, что зменение теплоемкости очень сильно зависит от
плотности, то есть резкое снижение обясняется уменьшением влаги в порах
материала. Как известно влага имеет высокую теплоемкость.
Выводы по 2 разделу
По результатам эксперементальных исследований физико-механических,
теплофихических
свойств
продуктов
растительного
происхождения
подвергаемых сушке можно сделать следующие выводы:
1. Внутренний угол трения по стальной поверхности без давления для
перца, баклажан, яблок и мякоти дыни составляли соответственно α=21, α=22,
α=24, α=27 градусов. Эти значения применимы для углов установки стелажей в
сушильной камере. Так как при повышенных углах уклона стеллажей может
происходить смещение материалов. Среди исследуемых материалов более
высокое значение показала дыня. Это объясняется тем, что из за повышенного
содержания мелких веществ в составе влаги, которые создают липкость.
2. Коэффициенты трения нарезанного сырья по стальной поверхности с
ростом давления снижаются, при исходной влажности. Это объясняется
выделением жидкости которая создает пленку между трущимися телами.
Значения коэффициентов трения от представленных параметров является
важным при обосновании устойчивости сырья против скольжения при загрузке
стеллажей с сырьем в камеру.
3. Полученные коэффициенты теплофизических свойств исследуемых
материалов представлены в виде зависимостей от влажности от влажности (W),
температуры (Т) и плотности (ρ). Пределы увелечения влажности происходят от
85 % до 95 %. Зависимости температуропроводности от температуры
материалов, кроме баклажана возрастают. Коэффициенты теплопроводности
всех материалров с увеличением температуры от 320 к до 380 К также
возростают.Зависимости теплоемкости от температуры кроме яблок у всех
материалов убывают. Зависимости от теплофизических констант от плотности
ведут себя не однозначно для всех исследуемых материалов. Это обясняется
содержанием влаги в неодинаковом количестве.
4. Из–за высокого содержания влаги мякоти плодов дыни для тепловой
обработки в гелиосушилке следует считать не приемлимым без предварительно
- принудительного обезвоживания. Так как после разделки плодов дыни
происходит выделение влаги в большом количестве.
5. Полученные значения коэффициентов физико-механических и
теплофизических свойств исследуемых объектов сушки следует использовать
при теоретическом и экспериментальном обосновании процесса сушки и
параметров сушилки.
60
3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К ОБОСНОВАНИЮ
РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА И КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
ГЕЛИОСУШИЛКИ
3.1 Дифференциальные уравнения тепло и массообмена
При выборе оптимального режима сушки и рациональной конструкции
аппарата в первую очередь следует обеспечить условия, необходимые для
получения требуемых технологических свойств высушиваемого материала. Эта
задача связана с нахождением нестационарных полей влагосодержания и
температуры в процессе сушки любого продукта, т.е решением системы
дифференциальных уравнений влаго и теплопереноса. Учитывая что,
исследованные материалы в разделе 2 имеющие соответствующие
теплофизические свойства, подвергаемый к сушке будет находится на
поверхности стеллажа, теплообмен происходит за счет дифузии уравнение
энергии можно записатьследующим образом
𝜕𝑡
𝜕𝑡
𝜕𝑡
𝜕𝑡
+ 𝑤𝜏
+ 𝑤𝑦
+ 𝑤𝑧
= 𝑎∇2 𝑡 +
𝜕𝜏
𝜕𝑥
𝜕𝑦
𝜕𝑧
+𝐷
(𝑐𝑝1 −𝑐𝑝2 )
𝑐𝑝
𝜕
{𝜕𝑥 (𝑇
𝜕𝑚1
𝜕𝑥
𝜕
) + 𝜕𝑦 (𝑇
𝜕𝑚1
𝜕𝑦
𝜕
) + 𝜕𝑧 (𝑇
𝜕𝑚1
𝜕𝑧
)}.
(3.1)
Уравнение неразрывности для несжимаемой жидкости:
𝑑𝑖𝑣𝑤
̅=0.
(3.2)
Уравнение движения (система уравнений Навье – Стокса):
𝜌
𝐷𝑤𝑥
𝐷𝜏
𝜌
𝐷𝑤𝑦
𝜌
Уравнение массообмена:
= 𝜌𝑔𝑥 −
𝐷𝜏
𝐷𝑤𝑧
𝐷𝜏
𝜕𝑝
𝜕𝑥
+ 𝜇∇2 w𝑥 ;
= 𝜌𝑔𝑦 −
𝜕𝑝
= 𝜌𝑔𝑧 −
𝜕𝑝
𝐷𝑚𝑖
𝐷𝜏
𝜕𝑦
𝜕𝑧
(3.3)
+ 𝜇∇2 w𝑦 ;
(3.4)
+ 𝜇∇2 w𝑧 .
(3.5)
= 𝐷∇2 𝑚𝑖 .
(3.6)
Для неподвижной жидкости (𝑤𝑥 = 𝑤𝑦 = 𝑤𝑦 = 0) уравнение массообмена
принимает вид
𝑑𝑚𝑖
= 𝐷∇2 𝑚𝑖 .
(3.7)
𝑑𝜏
В последнем уравнении, называемом уравнением Фика, учтен перенос
массы только путем концентрационной диффузии. Это уравнение аналогично
61
дифференциальному уравнению теплопроводности при отсутствии внутренних
источников тепла. Если для температуры и массосодержания ввести
одинаковые обозначения, то уравнения по своему внешнему виду не будут
отличаться друг от друга. Сравнивая, можно видеть, что коэффициент
диффузии аналогичен коэффициенту температуропроводности. Очевидно, если
условия однозначности аналогичны, то все решения дифференциального
уравнения теплопроводности как для стационарного, так и для
нестационарного процессов могут быть использованы для расчета
концентрационной диффузии. В случае D = a поля концентрации и
температуры подобны. При полупраницаемой поверхности в условиях
стационарного процесса стефанов поток компенсирует встречный
молекулярный поток газа и реально возникает лишь поперечный поток пара. В
этом случае:
𝑞𝑐 = 𝑞𝛼 + 𝑞𝛽 = −𝜆(𝛻𝑡)𝑐 + 𝑗П.С · 𝑖П.С
(3.7)
Общее количество тепла 𝑞𝑐 может распределяться между 𝑞𝛼 и 𝑞𝛽 по
разному. По определению 𝛼 =
𝑞𝛼
𝑡𝑐 − 𝑡 Ж
= −
𝜆
𝑡𝑐 − 𝑡Ж
·( 𝛻𝑡), здесь то же, но тем не
менее наличие поперечного потока массы 𝑗П приводит к тому, что величина
коэффициента теплоотдачи α может быть иной, чем при теплоотдачи без
массообмена.
3.2 Моделирование движения сушильного агента в гелиосушилке
тоннельного типа
Проведенный литературный обзор в разделе 1 показывает, что в основном
используются промышленные сушилки тоннельного типа, работающие на
традиционных видах энергии. Подача теплового агента в этих сушилках
обеспечивается электрическими вентиляторами, которые создают достаточно
высокий напор газа. При использовании солнечной энергии используются, как
правило, естественные вытяжки, имеющие низкие производительности
сушильного агента. Поэтому следует провести вычислительный эксперимент,
используя численные методы моделирования процесса движения сушильного
агента. Для этого была поставлена задача на исследование аэродинамику
камеры тоннельного типа [76]. Было рассмотрено движение вязкой
несжимаемой жидкости в криволинейной области  представленной согласно
рисунка 3.1.
y
y4
l2
f2

Г3
Г2
y3

f1
y0
Г1
0


Г4

x1
x2
x3= l1
x
Рисунок 3.1 - Схема области для проведения расчета
62
Для численного моделирования данного процесса было использовано
уравнение Навье - Стокса в переменных функция тока, вихрь скорости, так как
для данной области затруднительно построить однородную разностную схему и
регулярную сетку и поэтому можно использовать метод фиктивных областей.
Рассматриваемый процесс сушки описывается следующей системой
дифференциальных уравнений в частных производных
         1   2  2 
,
 
 
  

t x  y  y  x  Re  x 2 y 2 
 2  2

 ,
x 2 y 2
(3.8)
где,  -функция тока,  - вихрь скорости, Re - число Рейнольдса.
Введем обозначения следующих частных производных
U


U V
,V  
, 

.
y
x
y x
(3.9)
Преобразованные входные (на границе Г1) и выходные (на границе Г2)
граничные условия соответственно выглядит так
 y 3 y0 y 2 
(3.10)
  U 1  
,   2  U1 y  U1 y0  U1 2 y  y0 .
3
2


y2
 y3

  U 2    ( y3  y4 )   y3 y4 y ,   U 2  2 y  y3  y4 . , (3.11)
2
 3

- на нижней твердой границе Г4: y  0 , с учетом значение y ,   0.
- на верхней твердой границе Г3: y  y0 , учитывая значение y ,
 y03 y03  U 1 y03
 
.
3
2
6


  U 1 
Было объединены условия на всех границах (Г1, Г2, Г3, Г4).
При этом получены начально-граничные условия в переменных функция тока,
вихрь скорости для системы уравнений:
на Г1:
на Г2:
на Г3:
 y 3 y0 y 2 
  U 1  
,   U1 2 y  y0 .
2 
 3
y2
 y3

  U 2    ( y3  y4 )   y3 y4 y ,   U 2  2 y  y3  y4 .
2
 3

U 1 y03 

,
 0.
6
n
63

 0.
n
Для решения исходной задачи осуществлялся преобразование двумерной
области со сложной границей в прямоугольник в декартовой системе координат,
путем отображения всех точек нижней границы f1 на ось ox и верхней границы f2 на прямую 𝑦 = 𝑦0 . Решение находилось непосредственно в этой области (рисунок
3.2).
на Г4:
  0,
Рисунок 3.2 - Прямоугольная область течения вязкой несжимаемой жидкости
Координаты между собой представлены в таком виде (x, y) и (q1, q2)
q1  x



q

y

f
(
x
)
 2
x  q1


 y  q2  f ( x)
(3.12)
Вычисляется якобиан данного преобразования (J)
x
q
J= 1
y
q1
x
q2
 1.
x
q2
(3.13)
Далее использовалось обозначение
qk qm

,
(3.14)
xn xn
где k, m, n = 1, 2 (по повторяющимся индексам производится суммирование).
 2  2

  его можно
Рассматривая второе уравнение системы
x 2 y 2
записать в новых координатах:
gkm=
  11 
    12 
 
 Jg
 
 Jg
  J .
 Jg 21
 Jg 22
q1 
q1
q2  q2 
q1
q2 
64
(3.15)
По формуле (3.14) выполняется следующие вычисления
q q q q
g 11  1  1  1  1  1  0  1
x1 x1 x2 x2
q q q q
g 21  2  1  2  1  ( f x' )  1  0   f x'
x1 x1 x2 x2
g 12 
q1 q2 q1 q 2



 1  ( f x' )  0   f x'
x1 x1 x2 x2
q2 q2 q2 q2



 ( f x' ) 2  1 .
x1 x1 x2 x2
Подставляя полученные значения J, g11, g21, g12, g22 в уравнение (3.15),
получено:
  
   

 

 
  f x' 
 .
(3.16)
 f x' 
 (1  ( f x' ) 2 ) 
q1  q1
q2  q2 
q1
q2 
g 22 
Аналогично преобразовывается первое уравнение системы , т.е.
         1   2  2 
.
 
  
  

t x  y  y  x  Re  x 2 y 2 

        1
  km  
 Jg
.



  
  

t q1  q2  q2  q1  Re qm 
qk 
        



 
 
t q1  q2  q2  q1 

1    
   

2  



 .



f
'


f
'

1

f
'

x
x
x
Re  q1  q1
q2  q2 
q1
q2 


(3.17)
Объединяя уравнения (3.16) и (3.17), получены следующая система двух
уравнений с соответствующими граничными условиями:
        



 
 
t q1  q2  q2  q1 

1    
   

2  



 ;



f
'


f
'

1

f
'

x
x
x
Re  q1  q1
q2  q2 
q1
q2 
  
   

 

 
  f x' 
 
 f x' 
 (1  ( f x' ) 2 ) 
q1  q1
q2  q2 
q1
q2 


(3.18)
- на входе Г1:
 q23 y0 q22 

,   U 1 2q2  y0 .
3
2


  U 1 
65
(3.19)
- на выходе Г2:
q22
 q23

  U 2    ( y3  y 4 )  y3 y 4 q2 ,
2
 3

  U 2  2q2  y3  y 4 .
(3.20)
- на верхней твердой границе Г3:
U 1 y03 

,
 0.
6
q2
- на нижней твердой границе Г4:
  0,

 0.
q2
(3.21)
(3.22)
Учитывая зависимость (2.15), преобразуются компоненты скорости (U ,  ).
U

  q1  q2 





,
y q1 y q2 y q2
  q1  q2 
 

 
  
.
 



 f ( x) 
x

q

x

q

x

q

q
 1

 1
2
2 
В итоге получены
U

,
q2
 
 
.
 f ( x) 
q2 
 q1
  
Выполнены следующие преобразования для уравнения движения:
        



 
 
t q1  q2  q2  q1 
1    
 
    
 

 
  f x 
 ,

 fx 
 (1  ( f x ) 2 
 
Re  q1  q1
q2  q2 
q1
q2 
учитывая, что f – линейная функция, получится fx’=const.
66
(3.23)
(3.24)

 2
 
 2
 

 


 


t q1q2
q1 q2 q1q2
q1 q2
    q 
2
1   2
 2
 
'
'

 fx 
 1 fx
 2  fx 
Re  q1
q1q2
q1q2
    





t q1 q2 q1 q2
2
1   2
 2 
 
' 2
.

 1 fx 
 2  2 fx 
2 
Re  q1
q1q2
q2 
2
2
2
2

  
(3.25)
Для уравнения Лапласа:
2
  
    
        


 fx 
 
 fx 
 1   f x   
q1  q1
q2  q2 
q1     q2 
2
2
 2
    2   2
 
 

f


f


 .
1   f x   
x
x
2
2
q1q2
q1q2     q2
q1
(3.26)
была составлена конечно-разностную схему для уравнения движения и уравнения
Лапласа, используя следующие формулы аппроксимации:
n
n
 i 1, j  i , j
,

q1
h1
 in1, j  in, j
  
 2
 

q1q2  q1  q 
h1
2

 .

q
2
.
Для уравнения движения:
in, j 1  in, j
in, j  in1, j
in1, j  in, j 
 n
n
n
n
 0,5  U i , j  U i , j  
 U i , j  U i , j  


h
h
1
1


in, j  in, j 1
in, j 1  in, j 
 n
n
n
n
 0,5   i , j  i , j 
 i , j  i , j 

h
h
2
2


n
n
n
n
n
n
n
1 i 1, j  2i , j  i 1, j
 1  i 1, j 1  i 1, j i , j 1  i , j

 2 fx  


Re 
h12
h1 
h2
h2



n
n
n
    2  i , j 1  2i , j  i , j 1 
 1   f x   
.
h22
   

67





(3.27)
Для уравнения Лапласа:
 in11,,jk  2 in, j 1,k 1   in11,,jk 1
n 1, k
n 1, k
n 1, k
n 1, k 1
 1  i 1, j 1   i 1, j  i , j 1   i , j 
 2 fx  


h12
h1 
h2
h2

n

1
,
k
n

1
,
k

1
n

1
,
k

1
2
 2 i , j
  i , j 1

  
(3.28)
 1   f x    i , j 1
 in, j 1
2


h


2
Для решения уравнения (3.27) воспользуется схема метода переменных
направлений
n
1
2
1
i , j  in, j
n
 L1 2  L2 n ,


n 1
i, j
n
 i , j

1
2
 L1
n
1
2
(3.29)
 L2 n1 ,
(3.30)
где, L1 – оператор, включающий производную по направлению x;
L2 – оператор, включающий производную по направлению y .
Уравнение (3.29) распишется применительно к уравнению (3.27) тогда
1
1
1
1
n
n
n
n 

2
2
2
i , j  
i , j  i 1, j
i 1, j  i , j 2 
n
n
n
n

 0,5  U i , j  U i , j 
 U i, j  U i, j 




h1
h1


in, j  in, j 1
in, j 1  in, j 
 n
n
n
n
 0,5   i , j  i , j 
 i , j  i , j 

h
h
2
2


1
1
1
n
n
 n
n
n
n
n
1 i 1,2j  2i , j 2  i 1,2j
 1  i 1, j 1  i 1, j i , j 1  i , j 

 2 fx  


Re 
h12
h1 
h2
h2


n
n
n
    2  i , j 1  2i , j  i , j 1 
 1   f x   
(3.31)
  0.
2


h


2

n
1
2

n
i, j







Аналогично распишется уравнение (3.30) применительно к уравнению
(3.27)
n
1

n
1
n
1
n
1
n
1

in, j 1  i , j 2
i , j 2  i 1,2j
i 1,2j  i , j 2 
n
n
n
n

 0,5  U i , j  U i , j  
 U i , j  U i , j  




h1
h1


in, j 1  in, j 11
in, j 11  in, j 1 
 n
n
n
n
 0,5   i , j  i , j 
 i , j  i , j 

h
h
2
2






68
1
1
1
1
1
n
n
n
n
n
 n 12
 n 12
2
2
2
2
2
1 i 1, j  2i , j  i 1, j
 1  i 1, j 1  i 1, j i , j 1  i , j


2
f


x

Re 
h12
h1 
h2
h2


n 1
n 1
n 1
    2  i , j 1  2i , j  i , j 1 
 1   f x   
  0.
h22
   






(3.32)
Для аппроксимации граничного условия вихря скорости  на твердых
границах Г3 и Г4 используется формула Тома:
- на нижней твердой границе Г4:
i , 0 
2 i ,1   i , 0 
.
h22
(3.33)
- на верхней твердой границе Г3:
i , n 2  
2 i ,n 2   i ,n 21 
.
h22
(3.34)
Для проведения расчетов были выбраны следующие
описывающие границы области, т.е. функции f1 ( x), f 2 ( x).
функции,
x  tg , при 0  x  x1


,
f1 ( x)  
x1  tg , при x1  x  x2
 x  tg  ( x  tg  x  tg ), при x  x  x

1
2
2
3
x  tg  y0 , при 0  x  x1


,
f 2 ( x)  
x1  tg  y0 , при x1  x  x2
 x  tg  ( x  tg  y  x  tg ), при x  x  x

1
0
2
2
3
(3.35)
(3.36)
где x1 , x2 , x3 , y0 ,  ,  - известные значения.
Производные для вышеуказанных функций совпадают, т.е.:
 tg , при 0  x  x1



f1 ( x)  f 2 ( x)   0, при x1  x  x2
tg , при x  x  x

2
3
В
ходе
проведения
вычислительных
69
(3.37)
расчетов
по
созданному
программному обеспечению (Приложение В), специально для данного случая,
были получены следующие результаты в виде графиков (рисунки 3.3, 3.4).
Рисунок 3.3 - Изолинии функции тока при Re=100, =300, =600
Рисунок 3.4 - Изолинии функции тока при Re=100, =300, =450
Полученные изолинии показывают, что в нижней области камеры имеют
низкие значения скорости т.е появляются пассивные зоны. Это объясняется, что
при естественной вытяжке сушильный агент за счет конвекции стремится
перемещаться по коротающему пути. В связи с этим более приемлемым
является применение сушилок шахтного типа которые имеют низкие
сопротивления сушильного агента.
3.3 Конструкция гелиосушилки
На основании аналитического обзора и патентного исследования
предлагаемая конструкция гелиосушилки представляет собой сушилку
шахтного типа, которая включает воздухонагревательный элемент, сушильную
камеру, аккумулятор тепла, воздуховод (рисунок 3.5).
70
Сушильное устройство выполнено с возможностью поворота посредством
опорных колес 1, размещенных на основании установки. На наружной
поверхности сушильной камеры 2 размещено покрытие, выполненное из
теплоизолирующего материала. Предлагаемая установка работает следующим
образом. В дневное время солнечные лучи проходит через экран 3, через слой
парниковой защиты, нагревают воздух в гелио воздухонагревателях сушильной
камеры 4 и аккумулятора тепла 5. Теплый воздух поступает в сушильную
камеру 2, где используется для сушки сырья, а отработанный воздух поступает
в воздуховод 6 и выводится наружу из под зонта 7.
Для обоснования конструкции сушильной установки соответствующими
размерами и параметрами следует их найти путем расчета и вычисления по
результатам теоретических или экспериментальных исследований.
Теоретическое обоснование технологических и конструктивных
параметров сушильного агрегата позволяет сократить затраты на
экспериментальные исследования и время на проектирование.
1 – опорные колеса; 2 – сушильная камера; 3 – полиэтиленовые
воздухонагреватели; 4 – воздухонагреватели; 5 – аккумулятор тепла;
6 – воздуховод; 7 – зонт
Рисунок 3.5- Схема предлагаемой гелиосушилки
3.4 Процесс тепломассообмена в камере гелиосушилки
Закономерности переноса энергии и массы во влажных материалах в
процессе обезвоживания являются очень сложными. При разработке нового
типа сушильного устройства следует изучить закономерности процесса сушки с
71
учетом конструктивных особенностей для выявления эффективности сушилки.
Основные
положения
теорий
сушки
разработаны
А.В.Лыковым,
П.А.Ребиндером, А.С.Гинзбургом, В.В.Красниковым и другими видными
учеными [76-80].
Влажный материал, подлежащий к сушке, представляет собой,
многофазную и многокомпонентную среду. Пронизавший сушильный агент
проходит сложный процесс, сопровождающийся тепломассопереносом между
различными фазами и компонентами системы. В зависимости от поставленной
задачи эта система изучается на различных уровнях сложности.
Закономерность тепломассообмена в системе «Гелиоустановка – влажный
материал – окружающая среда» должна быть описана соответствующими
уравнениями, качественно и количественно удовлетворяющими реальному
процессу.
В общем случае физическая модель процесса может быть представлена
следующим образом. Сушка влажного материала происходит в слое, который
характеризуется высотой h и площадью поверхности S. Слой, состоящий из
единичных элементов, характеризующихся некоторым объемом V1, площадью
поверхности S1, влагосодержанием w1. Испаряемая влага из материала
первоначально поступает в воздушное пространство внутри слоя, а затем под
воздействием циркуляции переходит вне слоя и далее в окружающую среду.
Энергоподвод к высушиваемому материалу может осуществляться различными
способами, как конвективным, радиационным комбинированным.
Влажный материал, подвергаемый к сушке в гелиосушилке, представляет
собой коллоидное капиллярно-пористое тело, влага в котором связана
различными формами связи. Наименее прочной связью обладает влага,
находящаяся в микропорах и капиллярах материала. При ее удалении процесс
испарения может быть рассмотрен как испарение влаги со свободной
поверхности воды, когда влага находится на уровне поверхности испарения,
т.е. совпадает с поверхностью тела. При расчете сушильной установки очень
важным этапом является составление теплового и материального баланса.
3.4.1 Материальный и тепловой баланс гелиосушки для сушки фруктов и
овощей
При составлении материального баланса определяется количество
удаленной влаги, из сухого материала, полученный в результате тепловой
обработке. Так же с помощью материального баланса определяется расход
сушильного агента.
При составлении теплового баланса можно определить удельный расход
теплоты в сушильной камере к 1 кг испаренной влаги, потери теплоты в
окружающую среду, коэффициент полезного действия, расход энергии на
нагрев сушильного агента а также потери тепла с сушильным агентом.
В сушильных установках непрерывного действия его материальный
баланс необходимо отнести к единице времени (τ = 1 с), в то время как
тепловой баланс — как к единице времени и к единице испаренной влаги. При
72
расчете всего периода времени сушки необходимо брать установки на основе
периодического действия.
Отдельные потери как материала так и сушильного агента возникающие в
процессе сушки при составлении материального баланса обычно
пренебрегаются. Масса готового сушенного материала а также масса исходного
сырья подвергаемой сушке связывают уравнением материального баланса [81,
82]
𝐺1 = 𝐺2 + 𝑊,
(3.38)
где 𝑊 — количество влаги удаленной в процессе сушки, кг/с.
Количество влаги поступающая и выходящая из камеры сушилки
𝑊1 =
(𝐺1 ·𝜔1 )
100
, 𝑊2 =
(𝐺2 ·𝜔2 )
100
,
(3.39)
где 𝐺1 , 𝐺2 — входящее и выходящее из сушильной камеры количество
материала, кг/с;
𝜔1 , 𝜔2 — содержание влаги в исходном и сушенном материале, относится
к общей массе, %;
𝑊1 , 𝑊2 — количество поступающей и выходящей влаги из сушильной
камеры сушилки, кг/с.
ω1 =
W1
Gc +W1
100; ω2 =
W2
Gc +W2
100.
(3.40)
Отнесенное к сухой массе влагосодержание будет иметь выражение
𝜔𝑐 =
𝑊
𝐺𝐶
100.
(3.41)
Согласно формулам (3.5) производится расчет одного вида влажности на
другую
𝜔
𝜔𝐶
𝜔𝐶 =
100; 𝜔 =
,
(3.42)
100−𝜔
100+𝜔𝐶
где w — отнесенное к общей массе влагосодержание, %.
Испаренную влагу в процентном соотношений можно выразить по
выражению
𝑊 = 𝐺1 − 𝐺2 = (𝐺1 𝜔1 − 𝐺2 𝜔2 )/100.
(3.43)
Количество сухого вещества в процентных соотношениях можно
определить по выражению
𝐺𝐶 = 𝐺1
100−𝜔1
100
= 𝐺2
73
100−𝜔2
100
,
(3.44)
после преобразования равенств (3.43) и (3.44) количество испаренной влаги
будет иметь следующий вид
𝑊 = 𝐺1
𝜔1 −𝜔2
100−𝜔2
= 𝐺2
𝜔1 −𝜔2
100−𝜔1
.
(3.45)
Количество сухого воздуха Lв расходуемого в герметической сушильной
камере конвективного типа при однократном использовании воздуха можно
найти из уравнения баланса влаги которая выглядит следующим образом
𝐿0
𝑑0
1000
+ 𝐺1
𝜔1
100
= 𝐿2
𝑑2
100
+ 𝐺2
𝜔2
100
,
(3.46)
где 𝐿0 , 𝐿2 — количество входящего и уходящего воздуха из камеры сушилки,
кг/с;при этом 𝐿0 = 𝐿2 = 𝐿; 𝑑0 , 𝑑2 — влагосодержание сухого воздуха на входе и
выходе сушильной камеры, г/кг.
Преобразовав уравнение (3.46) количество влаги будет иметь вид
𝑊 = 0,001(𝑑2 − 𝑑0 )𝐿 =
𝐺1 𝜔1 −𝐺2 𝜔2
100
.
Исходя из этого удельный расход воздуха на 1 кг испаренной влаги
определялись по формуле
𝐿
1
𝑙= =
.
𝑊
0,001(𝑑2 −𝑑0 )
(3.47)
(3.48)
Принципиальная схема предлагаемой конвективной сушилки работающая
исключительно за счет солнечной энергии представлена на рисунке 3.6.
Установленные в аналитическом виде обозначения на схеме теплового баланса
будет иметь следующее равенство
´
´
´
𝐿0 𝐼0 + 𝑄𝑘 + 𝐺2 · 𝑐𝑀
· 𝑡𝑀
+ 𝑊 · 𝑐𝐵 · 𝑡𝑀
+
´´
´´
´
´
+𝐺тр · 𝑐тр · 𝑡тр + 𝑄д = 𝐿2 · 𝐼2 + 𝐺2 · 𝑐𝑀 · 𝑡𝑀
+
´´
´´
+𝐺тр · 𝑐тр · 𝑡тр + 𝑄п ,
(3.49)
где 𝐼0 , 𝐼2 — энтальпии воздуха перед коллектором и на выходе из сушильной
камеры, кДж/кг сухого воздуха;
𝑄𝑘 — количество теплоты, подведенное в основном коллекторе, кДж;
𝐺2 — количество сухого материала, 𝐺2 = 𝐺1 - 𝑊, кг/с;
´
´´
´
𝑐𝑀
, 𝑐𝑀
— теплоемкости материала при температуре на входе 𝑡𝑀
и выходе
´´
𝑡𝑀 из сушильной камеры, кДж/(кг·К);
𝐺тр — масса транспортных стелажей, отнесенная к единице времени, кг/с;
´
´´
𝑐тр
, 𝑐тр
— теплоемкость транспортных стелажей при температуре на входе
´
´´
𝑡тр
и выходе 𝑡тр
из сушильной камеры;
74
𝑄д — количество теплоты, подведенное в сушильную камеру через
дополнительный коллектор, кДж;
𝑄п — потери в окружающую среду, кДж;
´
´
𝑄𝑐 — тепло вносимое сырьем и стеллажами (𝑄𝑐 = 𝐺2 · 𝑐𝑀
· 𝑡𝑀
), кДж;
𝑄общ - суммарное подводимое тепло (𝑄общ = 𝑄𝑘 + 𝑄д ), кДж.
Проделав несложные преобразования и разделив все члены равенства
(3.49) на W в конечном итоге получаем уравнение теплового баланса, для 1 кг
выпаренной влаги
´
𝑞д + 𝑞𝑘 = 𝑙 · (𝐼2 − 𝐼0 ) + 𝑞м + 𝑞тр + 𝑞п + 𝑐в´ · 𝑡𝑀
,
(3.50)
где 𝑞𝑘 , 𝑞д , — расход теплоты на 1 кг выпаренной влаги в основном и
дополнительном коллекторах, кДж/кг;
𝑞м , 𝑞тр , 𝑞𝑛 — расход теплоты на нагрев материала, транспортных стелажей
а также потери в окружающую среду, кВт/кг.
𝑞𝑀 =
´´ ´´
´ ´
𝐺2 (𝑐𝑀
𝑡𝑀 −𝑐𝑀
𝑡𝑀 )
𝑊
𝑞𝑛 =
где
𝛴𝑘𝛥𝑡𝐹
𝑊
;
.
(3. 51)
(3.52)
𝑘 — коэффициент теплопередачи, кВт/(м2 ·К);
𝛥𝑡 — температурный напор, град;
𝐹 — поверхность ограждений определенных участков, м2 .
Если принять допушение, что в равенстве (3.51) как
𝑞𝑀 = 0; 𝑞тр = 0; 𝑞𝑛 = 0; 𝑞д = 0; 𝑡м´ = 0,
то
𝑞𝑘 = 𝑙 · (𝐼2 − 𝐼0 ).
(3.53)
Расход теплоты на подогревание воздуха в основном коллекторе будет
равняется
𝑞𝑘 = 𝑙 · (𝐼1 − 𝐼0 ),
(3.54)
где 𝐼1 — энтальпия воздуха после коллектора.
Приравниванием обоих правых частей равенств (3.52) и (3.53), получим
𝐼1 = 𝐼2 = 𝐼,
(3.55)
где процесс сушки происходит с постоянной энтальпией. Абсолютно вся
теплота передаваемая от воздуха к материалу сушки, расходуется на
75
выпаривание влаги а уже затем вместе с парами возвращается в поток воздуха
(фазовый переход жидкости в пар).
1
2
3
4
1-вытяжка; 2 –камера; 3 – основной коллектор;
4 – дополнительный коллектор
Рисунок 3.6 – Принципиальная схема сушильной установки для
материального и теплового баланса
В таком процессе в качестве решения задач может быть использована Idдиаграмма [83].
Процесс конвективной сушки приведен на Id-диаграмме (рисунок 3.7)
изображенный линиями АВ — нагрев воздуха в коллекторе, при 𝑑0 = 𝑑1 , ВС —
сам процесс сушки при I = const.
Энтальпия влажного воздуха по Id-диаграмме будет иметь вид
𝐼 = 𝐼св + 0,001 · 𝑑 · 𝑖𝑛 = ссв · 𝑡 + 0,001𝑑(2493 + 1,97𝑡),
(3.56)
где ссв — теплоемкость сухого воздуха.
Термический КПД для конвективной сушилки равняется
ƞ=
t1 −t2
t1 −tо.с
,
где t1 и t 2 - температура приходящего и уходящего теплоносителя,
t о.с - температура окружающей среды.
76
(3.57)
Рисунок 3.7 – Процесс сушки в конвективной сушилке на Id-диаграмме
3.5 Численное решение уравнений Навье-Стокса для несжимаемой
вязкой жидкости
Поскольку процесс сушки материала в камере сушилки протекает
конвективным способом определение зоны сушки камеры является весьма
важным. Получение реальной картины температурной зоны более удобным
является вычислительный эксперимент.
Исследованию свободной (естественной) конвекции в литературе
последних двух-трёх десятилетий посвящено значительное количество
публикаций. Такой интерес к явлению тепловой конвекции объясняется в
значительной степени его важной ролью в самых различных процессах, таких
как движение воздуха в уличных каньонах, в градирнях, распространение дыма
и пламени в помещении, движение крови в сосудах, работа солнечных
коллекторов и т. д.
Существует много математических моделей свободной конвекции [84].
Наиболее изучен случай термо-гравитационной конвекции, когда уравнения
движения жидкости решаются совместно с уравнением теплопроводности [85].
При этом изменение плотности учитывается в уравнениях движения через
приближение Буссинеска.
Система уравнений свободной конвекции в приближении Буссинеска
имеет следующий вид [86]

 


u
[  (u)u ]  p  u  g ,
t
77
(3.58)

div u  0,
с[
где
(3.59)


 (u) ]   ,
t
(3.60)

u -вектор скорости,
p - давление, отсчитываемое от гидростатического,
 - температура, отсчитываемая от среднего значения.
Параметрами системы являются:  - средняя плотность,  - коэффициент

динамической вязкости, g - вектор силы тяжести,  - коэффициент объемного
расширения, с -теплоемкость при постоянном давлении,  -коэффициент
теплопроводности.
В системе уравнений (3.58) - (3.60) учтено допущение Буссинеска,
касающееся плотности, считая, что изменения плотности  ( ) можно
учитывать лишь в слагаемом для конвективной (архимедовой) силы. Как
показывает практика, эта система хорошо описывает широкий спектр явлений
свободной конвекции. Решение системы (3.58) - (3.60) зависит от начальных и
граничных условий. Отметим, что чаще всего в литературе рассматриваются
задачи в замкнутых областях, содержащих твёрдые границы с условиями
вязкого прилипания [87, 88] и течения в каналах, на входе и выходе которых
задаются значения компонента скорости.
Однако в математическом моделировании течений вязкой жидкости часто
встречаются задачи, в которых на участках границы рассматриваемых областей
нормальные компоненты скорости не заданы, т. е. заранее непосредственно
определить расход через входные и выходные сечения невозможно. Типичные
примеры таких задач приведены, например, в работах [89, 90].
В работе [91] рассматривается течение вязкой жидкости в круглой
цилиндрической трубе переменного сечения. Жидкость движется под
действием приложенного к концам трубы перепада давления. В качестве
примера приведены решения для стационарного и гармонического перепада
давления.
В работе [92] рассматривается гидродинамика периодического течения
жидкости с перевернутой симметрией в оребрённом канале. Поскольку
коэффициенты теплоотдачи гладких каналов малы, для увеличения
теплоотдачи контактных теплообменников обычно используются ребра на
твёрдых поверхностях канала, увеличивающие площадь теплообмена и
улучшающие перемешивание. В цитируемой работе [93] течение считается
ламинарным, давление для периодического полностью развитого течения
представлено в виде
p(x,y)=-x+p(x,y),
где - постоянная составляющая полного градиента давления.
78
При численном решении можно итеративно подобрать различные
величины  таким образом, что сошедшееся решение будет соответствовать
желаемому расходу или числу Рейнольдса. Число Рейнольдса определяется
выражением
Re 
1
где u 
H
u DH
,

H
 udy, D
H
 2 H ; H - ширина канала.
0
Решение для желаемого значения Re ищется следующим образом. При
заданном значении  вычисляется поле скоростей, а затем u . По этому
значению u подбирается коэффициент вязкости, обеспечивающий постоянство
Rе.
В работе [94] численно исследован течение вязкой несжимаемой жидкости
в переменных «функция тока, вихрь скорости» в области показанной на
рисунке 3.8. Постановка граничных значений на входе (АВ) определена таким
образом, чтобы при этом движение жидкости в большей степени определялось
только тепловой конвекцией. Предположено, что на входе
T
 0,
y
где u0 ( y), T0(y) -заданные функции, u0=const, которую нужно определить.
То есть на входном участке рассмотренной области задается только
форма профиля нормальной компоненты вектора скорости. Для определения
константы u0 дополнительно потребовано, чтобы была задана разность
давления в двух точках, т.е.
P( A)  P( B)  p ,
где p - заданная величина.
В дальнейшем рассмотрено конвективное течение вязкой несжимаемой
жидкости в области показанной на рисунке 3.8 с заданными постоянными
значениями давления на входе (АВ) и выходе (DО) и приведено обсуждение
численных расчетов, проведенных по алгоритмам предложенным в настоящей
работе для решения вспомогательных сеточных уравнений Навье-Стокса.
v  0, u  u0u0 ( y ), T  T0(y) или
3.6 Постановка задачи и основные дифференциальные соотношения
В двумерной области , показанной на рисунке 3.8, рассмотрена система
уравнений (3.58) - (3.60) и рассмотрена следующими краевыми условиями:
- на верхней твердой стенке (ВС, СD)
u=v=0,  =Т1=const;
- на нижней стенке (АО)
79
(3.61)
u=v=0,  =Т2=const;
- на входной границе (АВ)
v  0, p  P2 ,
(3.62)

 0;
x
(3.23)

0,
y
(3.64)
- на выходной границе (DO)
u  0, p  P1 ,
и
P2  P1  const  0.
Рисунок 3.8 – Схема расчетной области камеры
В дальнейшем интерес представляют стационарные режимы течения,
соответствующие уравнениям (3.61)-(3.64), существование и единственность
которых предполагаются.
Для проведения численных расчетов дифференциальные уравнения (3.61)(3.64) можно записать в следующей безразмерной форме


 
u
1 
Grg
 (u)u  p 
u 
 T,
t
Re
Re 2 g
(3.65)

div u  0,
(3.66)
80
T 
1
 (u)T 
T ,
t
Pr Re
(3.67)

где g  (0, g ),
gL3
Gr 
 число Грасгофа,
2
L p
Re 
μ
 число Рейнольдса ,

Pr  - число Прандтля,

 - характерная разность температур,
v - кинематический коэффициент вязкости,
 - коэффициент температуропроводности.
Граничные условия, соответствующие выражениям (3.61)-(3.64) при этом
будут следующими:
- на верхней твердой стенке (ВС, СD)
u=v=0, T=0;
(3.68)
- на нижней стенке (АА )
u=v=0, T=1;
(3.69)
- на входной границе (АВ)
v  0, p  1,
T
 0; ,
x
(3.70)
T
 0.
y
(3.71)
- на выходной границе (DO)
u  0, p  0,
3.7 Алгоритмы решения задачи
Для решения поставленной задачи рассмотрен следующий итерационный
процесс, который на дифференциальном уровне записан в виде


u n1 / 2  u n

 
 R, R  (G, Q) 
81
(3.72)


u n1   grad h ( p n1  p n )  u n1/ 2 ,

div h u n1  0,
T n1  T n


 Lh (u n )T n1 
(3.73)
(3.74)
1
 h T n1 ,
Re Pr
(3.75)
который для внутренних узлов конечно-разностных сеток в индексной форме
имеет вид
u kn11// 22,m  u kn1 / 2,m

v kn,m1/ 12/ 2  v kn,m1 / 2

u kn11/ 2,m 
v kn,m11 / 2 

h1

h2
1
Tkn,m
 Tkn,m


 Qk ,m1 / 2 ,
(3.77)
( p kn,m11  p kn,m1 )  v kn,m1/ 12/ 2 
h1
Gkn1 / 2,m
(3.76)
( p kn11,m  p kn,m1 )  u kn11// 22,m 
u kn11/ 2,m  u kn11/ 2,m
где
 Gk 1 / 2,m ,


h1

h2
( p kn,m1  p kn,m ),
h2
,
1
1
 hTkn,m
,
Re Pr
p kn1,m  p kn,m

  L(hv ) (u n )v kn,m1 / 2
( p kn1,m  p kn,m ),
v kn,m11 / 2  v kn,m11 / 2

1
 L(hT ) (u n )Tkn,m


 L(hu ) (u n )u kn1 / 2,m
Qkn,m1 / 2


h1


h2

1
Gr
 h v kn,m1 / 2 
(Tkn,m1  Tkn,m ),
Re
2 Re 2





L(hu ) (u n )u kn1/ 2,m  L(hu,1) (u n )  L(hu,2) (u n ) u kn1/ 2,m ,
82
(3.79)
(3.80)
(3.81)
1
 h u kn1 / 2,m ,
Re
p kn,m1  p kn,m
(3.78)

1
b

2h

1

L(hu,1) (u n )u kn1 / 2,m 
a k(u)1 / 2,m u kn3 / 2,m  a k(u)1 / 2,m u kn1 / 2,m ,
2h1

L(hu,2) (u n )u kn1 / 2,m
(u )
n
k ,m 1 / 2 u k 1 / 2,m 1
 (3.82)
 bk(u,m) 1 / 2 u kn1 / 2,m1 ,
2

 0.5v

a k(u)1 / 2,m  0.5 u kn3 / 2,m  u kn1 / 2,m ,
bk(u,m) 1 / 2

n
k 1,m 1 / 2

 v kn,m1 / 2 ,




L(hv) (u n )vkn,m1/ 2  L(hv,1) (u n )  L(hv,)2 (u n ) vkn,m1/ 2 ,

1
b

2h

1

L(hv,1) (u n )v kn,m1 / 2 
a k(v)1 / 2,m v kn1,m1 / 2  a k(v)1 / 2,m v kn1,m1 / 2 ,
2h1

L(hv,)2 (u n )v kn,m1 / 2
(v )
n
k ,m 1 / 2 v k ,m 3 / 2
 bk(v,m) 1 / 2 v kn,m1 / 2
,
(3.83)
2

 0.5v

a k(v)1 / 2,m  0.5 u kn1 / 2,m1  u kn1 / 2,m ,
bk(v,m) 1 / 2
n
k ,m 3 / 2


 v kn,m1 / 2 ,




L(hT ) (u n )Tkn,m  L(hT,1) (u n )  L(hT,2) (u n ) Tkn,m ,


1

L(hT,1) (u n )Tkn,m 
u kn1 / 2,m (Tkn1,m  Tkn,m )  u kn1 / 2,m (Tkn,m  Tkn1,m ) ,
2h1


1

L(hT,2) (u n )Tkn,m 
v kn,m1 / 2 (Tkn,m1  Tkn,m )  v kn,m1 / 2 (Tkn,m  Tkn,m1 .
2 h2
На стенке (ОО)
(3.84)
vN ,m1/ 2  0,
(3.85)
u N 1/ 2,m  0,
(3.86)
TN ,m  1.
(3.87)
Краевые условия (3.68)-(3.71) для сеточных значений (рисунок 3.9)

искомых функций u , p, T имеют следующий вид
- на твердой стенке (ВС)
u k 1/ 2,k 2
m  k 2, k  1, k1
 0, Tk ,k 2  0, vk ,k 21/ 2  0;
83
(3.88)
- на твердой стенке (СD)
u k11/ 2,m
- на нижней стенке (АО)
u k 1/ 2,0
k  k1, m  k 2, N 2
 0, Tk1,m  0, vk1,m1/ 2  0;
m  0, k  0, N1
 0, Tk ,0  1, vk ,1/ 2  0;
(3.89)
(3.90)
- на входной границе (АВ)
u1/ 2,m
k  0, m  0, k 2
 u3 / 2,m , p0,m  1, T0,m  T1,m , v0,m1/ 2  0;
(3.91)
- на выходной границе (DO)
m  N 2, k  k1, N1
u k 1/ 2, N 2  0, p k , N 2  0, Tk , N 2  Tk , N 21 , vk , N 21/ 2  vk , N 21/ 2 ;
(3.92)
j=n2+1/2
j=n2-1/2
j=n2
j=n2-1
j=k2
j=k2-1
i=n1+1/
2
i=n11/2
i=k1+
1
i=k1
i=0
i=1
i=2
j=1
j=0
Рисунок 3.9 - Разнесенная сетка исследуемой области
Расчеты по алгоритму (3.72)-(3.87) с учетом краевых условий (3.88)-(3.92)
производились следующим образом:
1.Сперва по явным формулам (3.72), (3.73) и (3.87) определялись значения
 n 1 / 2
компонент вектора u
в узлах соответствующих сеток Dm,h .
84
 n1
n1
2. На втором этапе для нахождения значений u , p
удовлетворяющие
соотношениям (3.78), (3.79) и (3.80) использован итерационный алгоритм (3.91)
из работы [51], который записан в следующем виде
u kn11,/s2,1m


(
s
p kn11,,m
 p kn,m1, s
h1
0(
u kn13,/s2,m  2u kn11,/s2,m  u kn11,/s2,m
h12
s
n 1, s
n 1, s
n 1, s
v kn11,,m
1 / 2  v k 1,m 1 / 2  v k ,m 1 / 2  v k , m 1 / 2
h1h2
 0
h12
)) 

(3.93)
1
1
( kn31,/s2,1m  2 kn11/, s2,m
  kn11/, s2,m
),
 kn11,/s2,1m  u kn11,/s2,1m  u kn11,/s2,m ,
с краевыми условиями
при k  0, N1, m  1, k 2  1
u3 / 2,m  u1/ 2,m , u N11/ 2,m  u N11/ 2,m  0, p0,m  1;
при k  k1  1, N1, m  k 2, N 2
uk11/ 2,m  0, u N1,m  0.
n 1
Для определения vk , m 1 / 2 имели соотношение
v kn,m1,s1/12
 0 (


 (
p kn,m1,s1  p kn,m1, s
h2

u kn11,/s2,m 1  u kn11,/s2,m 1  u kn11,/s2,m  u kn11,/s2,m
h1 h2
v kn,m1,s3 / 2  2v kn1,1m, s1 / 2  v kn,m1,s1 / 2
h22
 0
h12
(3.94)
)) 
( kn,m1,s3/12  2 kn,m1,s1/12   kn,m1,s1/12 ),
 kn,m1,s1/12  v kn,m1,s1/12  v kn,m1,s1 / 2
с краевыми условиями
при k  1, k1, m  0, k 2
vk ,1/ 2  vk ,k 21/ 2  0;
85

при k  k1  1, N1, m  0, N 2
vk ,1/ 2  0, vk , N 21/ 2  vk , N 21/ 2 , p k , N 2  0.
n1, s 1 n1, s 1
,v
Значения u
из соотношении (3.93), (3.94) находим с
помощью скалярной прогонки. Затем согласно алгоритма [77] значения
n1, s 1
давления p
определим по формуле

p n1,s 1  p n1,s   0 div h u n1,s 1
(3.95)
3. На третьем этапе решая уравнения (3.85), (3.86) с соответствующими
краевыми условиями определены распределение температуры в расчетной
области.
Главной особенностью предложенной методики расчетов из работ [95-97]
являлось эффективное нахождение решения системы алгебраических
уравнений вида (3.58)-(3.60).
Многочисленные расчеты задач тепловой конвекции при различных
параметрах Gr, Re, Pr и изотермического течения (Gr=0) показали надежность
алгоритма (3.93)-(3.95) для решения вспомогательных сеточных уравнений при
использовании для проведения расчетов уравнений Навье-Стокса.
В таблице 3.1 приведена зависимость количества шагов по s для различных
значений  0 , необходимого для выхода из итерации по формулам (3.93)-(3.95)
при выполнении критерия установления вида

div h u n 1, s 1  10 4 ,
(3.96)
для случая, когда Re=100, Gr=0,   0.001, N  2,   2.1, при итерационном
шаге n=600
Таблица 3.1- Зависимость количества шагов по s для различных значений  0
MxM
 0  2.0
 0  0.5
   
   
   
101 x 201
251 x 501
501 x 1001
8
9
9
9
10
11
10
11
12
20
22
24
48
50
51
Как видно из таблицы, количество итераций фактически не зависит от
количества узлов конечно - разностной сетки, что соответствует равномерной
сходимости по h.
Процесс последовательных приближений (3.72)-(3.84), (3.86), (3.87) с
соответствующими краевыми условиями (3.85), (3.88)-(3.92) считается
установившимся, если выполнен следующий критерий сходимости
86


R n  div h u n   ,
(3.97)
где  - наперед заданная малая величина.
3.8 Результаты численных расчетов и их обсуждение
Расчеты проводились для H/L=1, L*/L=0.3, H*/L=0.3 и Pr=0.72 при
различных значениях числа Грасгофа (Gr=10·1035·105).
«Опорное» значение Re* полагалось равным 100700.
Расчеты проводились на сетках (101, 201), (01, 1001). Контрольные расчеты
показали, что различия, в худшем случае (Gr=5105), для полных чисел
Нуссельта составляют на различных сетках 2%.
Для расчетов использовалась Corei 7 3400/S1155/4Gb/1Tb, работающая по
программе Microsoft Visual Studio 2010 (приложение Г). Во всех вариантах
расчётов стационарный режим достигнут. Для различных чисел Грасгофа и
различных сеток характерное число внутренних итераций, необходимое для
достижения критерия сходимости составляет от 8 до 27. (Число внешних
(глобальных) итераций колебалось от 600 до 850). Характерное счётное время
для сетки - 3 мин.
Вначале более подробно опишем результаты расчётов. На рисунках 3.10 а,
3.11 а, 3.12 а, 3.13 а, 3.14 а показаны изолинии функции тока для различных
значений чисел GrиRe. Во всех случаях основная часть расчётной области
занята "сквозным" течением. Обнаружено, что выше точки С (у  0.4 ) поток
жидкости сперва отходит от стенки в сторону, а затем набегает на неё. Как и в
случае течения за выступом при больших значениях Gr(Gr =5·105, при Re=300)
выше точки С вблизи стенки образуется вихревая зона малой интенсивности.
Зависимости числа Рейнольдса, соответствующего установившимся
режимам, от параметра Gr и Re. показаны в приложении Г.
Как и следовало ожидать, с увеличением Gr число Re увеличивается, что
соответствует также увеличению расхода жидкости через входное сечение.
Таким образом, с увеличением Gr течение в рассматриваемой расчётной
области становится более интенсивным. С увеличением Re число Re
увеличивается, зависимость является почти линейной и с ростом Gr
зависимость становится слабее. Из рисунка Д.3 (приложение Д) видно, что
зависимости чисел Рейнольдса от Re, для малых чисел Грасгофа (Gr=1045·104)
почти совпадают.
С практической точки зрения одна из важнейших целей исследования
свободной конвекции заключается в определении зависимости теплопередачи
от параметров задачи. Сведения о теплопередаче и пространственном
распределении температур позволяют технологам целенаправленно решать
разного рода задачи определения теплопотерь, интенсификация теплообмена,
уменьшение разности температур, выбор материала и т. д.
В таблицах 3.2, 3.3, 3.4 (соответственно, Re=300,Re=500,Re=700)
введены значения полных чисел Нуссельта для различных участков твёрдой
границы расчётной области, где через Nu(1), Nu(2), Nu(3) обозначены полные
87
числа Нуссельта для нижней (АО), верхней горизантальной (ВС) и верхней
вертикальной (СD) стенок соответственно.
Таблица 3.2 -Зависимость полных чисел Нуссельта от чисел Грасгофа (Re=300)
Gr
Nu(1)
Nu(2)
Nu(3)
104
25*103
5*104
105
2*105
3*105
4*105
5*105
-1.20711935
-1.14501685
-1.06250990
-.95039644
-.82435129
-.74823105
-.67409142
-.62978933
1.21368607
1.25032469
1.30866717
1.41649719
1.60518169
1.76227810
1.80170216
1.93340066
2.71421552
2.80149099
2.94254227
3.17271196
3.45053971
3.54576866
2.99786548
3.00173457
Таблица 3.3- Зависимость полных чисел Нуссельта от чисел Грасгофа (Re=500)
Gr
Nu(1)
Nu(2)
Nu(3)
104
25*103
5*104
105
2*105
3*105
4*105
5*105
-1.19822014
-1.16663345
-1.11961953
-1.04304669
-.93610120
-.86360107
-.80805648
-.74173832
1.20415896
1.21699929
1.23843673
1.28149494
1.36702174
1.44891971
1.52368884
1.56032695
2.48389472
2.52143465
2.58275753
2.70138683
2.90152287
3.03714750
3.07299943
2.49497321
Таблица 3.3- Зависимость полных чисел Нуссельта от чисел Грасгофа (Re=700)
Gr
Nu(1)
Nu(2)
Nu(3)
104
25*104
5*104
105
2*105
3*105
4*105
5*105
-1.18376544
-1.16282018
-1.13057284
-1.07475286
-.98901285
-.92553245
-.87478441
-.81685899
1.19702134
1.20318555
1.21351415
1.23435200
1.27659414
1.31885430
1.35976946
1.39002582
2.18610035
2.20873636
2.24664922
2.32009021
2.45177677
2.55051401
2.58983134
2.22452353
88
Как видно из таблиц 3.2 – 3.4, для Re=300,Re=500,Re=700, относительное
отклонение значений Nu(2), Nu(3)(при различии значений чисел Gr почти на два
порядка), составляет менее 14-35%, 10-17% соответственно. В то же время
значения Nu(1)отличаются друг от друга на 30-50%, что указывает на
повышение интенсивности процесса теплоотдачи на нижней стенке
приувеличении значений чисел Грасгофа.
На рисунках 3.10 б, 3.11 б, 3.12 б, 3.13 б, 3.14 б приведены наиболее
характерные распределения температур для Gr=1045·105;соответствующие
линии изотерм нанесены с интервалом T=0.05.
а)
б)
Рисунок 3.10 – Изолинии функции тока, изотермы при Gr=3·104, Re=300
а)
б)
Рисунок 3.11 – Изолинии функции тока, изотермы при Gr=5·104, Re=300
89
а)
б)
Рисунок 3.12 – Изолинии функции тока, изотермы при Gr=4·104, Re=600
а)
б)
Рисунок 3.13 – Изолинии функции тока, изотермы при Gr=3·104, Re=600
а)
б)
Рисунок 3.14 – Изолинии функции тока, изотермы при Gr=5·104, Re=600
90
Картина изотерм показывает, что распределение температурных полей во
всех приведенных вариантах в расчётной области является однородным, т.е.
неоднородности, например, в виде температурных пограничных слоев, дажедля
относительно больших значений чисел Грасгофа (Gr=5·104), отсутствуют.Более
глубокое понимание взаимосвязи течения жидкости и теплоотдачи достигается
при рассмотрении изменения местных коэффициентов теплоотдачи к твёрдым
стенкам канала.
3.9 Обоснование геометрических параметров сушилки
Основными геометрическими параметрами предлагаемой сушилки
являются высота, площадь камеры и размеры вытяжной шахты.
Эти показатели влияют на производительность сушилки и ее
эффективность работы. Поскольку многие параметры сушилки имеют
функциональную зависимость, следует задавать некоторые параметры самим
чтобы найти другие. Расчет сушилки основан на естественной вентиляции.
Естественная вентиляция камеры основана на разности давления наружного и
внутреннего воздуха [98,99].
Заданными величинами для выполнения расчета сушилки могут служить
(рисунок 3.15):
Рисунок 3.15 – Схема для расчета естественной вентиляции через
проточные проемы и вытяжную шахту камеры
91
я
- количество избыточного явного тепла 𝑄изб
, кДж/q;
- расчетная температура наружного воздуха по параметрам А в тепловой
период 𝑡н.а °С;
- температура в рабочей зоне камеры, 𝑡р.з °С;
- высота столба внутреннего воздуха от середины приточных проемов до
входного сечения шахты ℎп , м;
- высота вытяжной шахты ℎп , м;
Задачей обоснования является определение площади проемов и сечения
вытяжных шахт.
Вследствие изменения по высоте камеры сушилки температура уходящего
воздуха 𝑡ух > 𝑡р.з
Для определения 𝑡УХ запишем количество тепла, приобретаемого
наружным воздухом, проходящим через коллектор камеры сушки.
- рабочей зоне
- по камере сушки в целом
я
𝑄р.з
= (𝑡р.з − 𝑡н.а )𝐺н ,
(3.98)
я
𝑄изб
= (𝑡ух − 𝑡н.а )𝐺н ,
(3.99)
где 𝐺н - масса наружного воздуха проходящего через камеру сушилки.
Отношение равенств (3.97) и (3.98) будет равно𝑚𝜏 (𝑚𝜏 – безразмерная
величина характеризующая соответствие от соотношения площади,
занимаемой коллектора ƒКол к площади камеры 𝐹К
я
𝑄р.з
я
𝑄изб
=
𝑡р.з −𝑡н.а
(3.100)
𝑡ух −𝑡н.а
Из зависимости (3.100) определяется температура уходящего воздуха из
камеры сушки
𝑡ух = 𝑡н.а +
𝑡р.з −𝑡н.а
𝑚𝜏
(3.101)
Далее определяется выражение для вычисления теплового напора,
которое создает вентиляцию в камере сушилки.
Согласно представленной схемы сушилки на рисунке 3.15 обозначены:
давление воздуха в центре приточных проемов на уровне Ι - Ι через 𝑃𝐼 ;
давление воздуха внутри камеры на уровне середины входной щели на уровне
ℎп снаружи -𝑃н и внутри - 𝑃ш .
Для того чтобы вывести закономерности теплового напора воздуха
рассмотрим сначала упрошенную схему сушилки то есть рассмотрим без
вытяжной шахты в виде вытяжного проема (рисунок 3.16).
92
Введем обозначение давления воздуха в центре приточных проемов на
уровне Ι - Ι через𝑃𝐼 внутри камеры - 𝑃х . тогда давление у приточного проема
соответственно выражаются:
- по наружной части
Р𝐼 = Рн + ℎп 𝜌н ,
(3.102)
Рх = Рр.з + ℎп 𝜌ср .
(3.103)
- по внутренней части
Разность давлений приточного отверстия определяется как разность
равенств (3.102) и (3.103)
△ Рпр = Р𝐼 − Рх = Рн + ℎп 𝜌н − Рх .
(3.104)
Для вытяжного отверстия разность давлений запишем следующим
образом:
△ Рвыт = Рш − Рн .
(3.105)
Согласно уравнения (3.102) заменим значение Рш , поскольку Рр.з = Рш
уравнение (3.105) преобразует вид
△ Рвыт = Рх − ℎп 𝜌ср − Рн .
Общий перепад давления (тепловой напор) в сушильной камере равняется
как сумма уравнений (3.104) и (3.105)
△ Робщ =△ Рпр +△ Рвыт = РН + ℎП 𝜌н − Рх + Рх − ℎп 𝜌ср − Рн = (𝜌н − 𝜌ср )ℎп .
Величину теплового напора сушилки с учетом вытяжной шахты запишем
следующим образом
△ Рсобщ = (𝜌н − 𝜌ср )ℎп + (𝜌н − 𝜌ух )ℎш .
(3.106)
Количество приточного воздуха для сушки определяется по уравнению (3.99)
𝐺пр =
𝑄яизб
𝑡ух −𝑡н.а
.
(3.107)
Поскольку приточные и вытяжные проемы камеры оказывают
сопротивление потоку воздуха, перепады должны подчиняться следующим
условиям [100,101]:
93
- в приточном проеме
△ Рпр ≥ 𝜉пр
𝑣2пр
- в вытяжной шахте
△ Рш ≥ 𝜉ш
𝑣2ш
2
𝜌ух +
𝜆
𝑑ш
ℎш
𝑣2ш
2
,
(3.108)
𝜌ух .
(3.109)
2
Из этих выражений определяется значение скорости потока воздуха
𝑣пр = √
𝑣ш = √
𝜌
2·△Рпр
𝜉пр 𝜌н
2·△Рш
𝜆
ух + 𝑑 ℎш
ш
(3.110)
(3.111)
Рисунок 3.16 – Схема сушилки для расчета естественной вентиляции через
приточного бокового и центрального вытяжного отверстий
по тепловому напору
Используя эти значения скорости определяется необходимая площадь
проемов камеры сушилки по выражениям:
94
- приточных
𝐹пр =
𝐺пр
3600 𝜌н ·𝑣пр
,
(3.112)
- вытяжных
𝐹выт =
𝐺пр
3600 𝜌ух ·𝑣ш
.
(3.113)
По получаемым данным площадей проемов в зависимости от формы
сечения (круглое, прямоугольное) определяются геометрические размеры
(диаметр, боковые стороны) сечения.
Выводы по 3 разделу
Теоретический анализ процессов, протекающих в гелиосушилке для сушки
продуктов растительного происхождения, позволил сделать следующие
выводы:
1. Теплообмен между материалом и сушильным агентом описывается
согласно уравнений (3.1) – (3.6).
2. Расчетная схема предлагаемой гелиосушилки (рисунок 3.5) показывает
процесс сушки который интенсифицируется за счет подачи в камеру
дополнительного сушильного агента. Согласно выполненного расчета
теплового баланса, коэффициент полезного действия гелиосушилки
повышается объемом подведенного дополнительног тепла. Вычисление
которого можно оценить по Id – диаграмме.
3. Численное решение уравнения Навье – Стокса описывающие процесс
движения теплового агента внутри камеры гелиосушилки позволило найти
изотермические линии и скорости потока при различных значениях чисел
Нуссельта и Грасгофа.
4. По результатам полученных графиков выявлены пассивные зоны
сушильной камеры при отрицательных значениях чисел Нуссельта. Что
приводит к перепаду температур стенок и расходу агента (рисунок Д 11, Д.12).
5. Геометрические параметры сушилки основаны на расчете естественной
вентиляции на разности наружного и внутреннего воздуха (3.108, 3.109, 3.110,
3.111, 3.112, 3.113).
95
4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА
ЛАБОРАТОРНЫХ УСТАНОВКАХ
Для развития производства сушенной продукции из фруктового и
овощного сырья необходим комплексный подход к его предварительной
подготовке. Главное требование при этом это переработка продукции за
короткое время с сохранением высокого качества. Обеспечить выполнение этих
условий можно путем совершенствования традиционных технологий.
Совершенствование традиционных технологии обеспечивается путем создание
новых и совершенствования существующих сушильных устройств [54, 102,
103]. Дальнейщее развитие сушильной техники осуществляется за счет
проведения теоретических и экспериментальных исследовании путем
моделирования процессов [104].
Как известно основными факторами, влияющие на скорость сушки
являются - температура сушильного агента, скорость воздушного потока,
относительная влажность воздуха, степень измельчения и толщина слоя
материала. В зависимости от конструктивных особенностей сушилки
необходимо провести исследования к обоснованному выбору особых и
спецефических и временных условий протекания процесса. Применительно
разрабатываемой сушилке также следует провести исследования по проверке
теоретических выкладок температурного поля внутри камеры сушилки от
расхода сушильного агента, а также изменения влагосодержания от временнотемпературных параметров и размеров частиц. Исходя из этого целью
лабораторных исследований было установление параметров сушилки и
требование к материалам подвергаемых сушке.
Закономерности переноса энергии и массы во влажных материалах в
процессе обезвоживания являются очень сложными и изучены на достаточном
уровне в стандартных задачах [105]. Основные положения теорий сушки
разработаны
А.В.Лыковым,
П.А.Ребиндером,
А.С.Гинзбургом,
В.В.
Красниковым и другими учеными [55, 56, 77, 106]. Влажный материал,
подлежащий к сушке, представляет собой, многофазную и многокомпонентную
среду. При воздействии сушильного агента происходит сложный процесс,
сопровождающийся
тепломассопереносом между различными фазами и
компонентами системы, а также потерями тепла. В зависимости от
поставленной задачи эта система изучается на различных уровнях сложности.
4.1 Программа лабораторных исследований
Программой лабораторных исследований для предлагаемой сушилки на
макетном образце предусматривалось:
- оценка влияния конструктивных материалов сушилки на степень нагрева
сушильного агента;
- исследование темпа нагрева теплоаккумулирующих материалов;
- определение среднее значение скорости воздуха на входе камеры
сушилки;
- определение расхода отработанного теплоносителя из камеры сушилки;
96
- определение изменения температурной зоны внутри камеры сушилки от
изменения расхода теплоносителя;
- исследование изменения влагосодержания растительных продуктов, от
временно-температурных параметров установки;
- исследование изменения влагосодержания растительных продуктов в
зависимости от размера и формы нарезки материала.
4.2 Методика проведения лабораторных исследований
4.2.1 Оценка влияние конструктивных материалов сушилки на степень
нагрева сушильного агента
Оценка влияние конструктивных материалов сушилки на степень нагрева
сушильного агента были проведены для выбора уровня и эффективности
нагрева сушилки. Испытания производились с использованием трех различных
видов пленки [107]. Тест был выполнен в июне в Казахском национальном
аграрном университете города Алматы.
На данный момент не предусмотрена методика измерения составляющих
теплового баланса для всех типов сушилок, особенно в части измерения уровня
солнечной энергии, поступающей в сушилку [108].
Для
определения
средних
значений
температур
воздуха
в
воздухонагревателе, а также среднего уровня воздухообмена регистрировались
значения температуры и воздуха в воздухонагревателях с разной толщиной
полиэтиленовой пленки.
В данном эксперименте были использованы три типа пленки разной
толщины и разным коэффициентом светопропускания (таблица 4.1).
Таблица 4.1- Характеристики различных видов пленки
Наименование
Пленка полиэтиленовая
(прозрачная)
Пленка полиэтиленовая
(прозрачная)
Пленка полиэтиленовая
(матовая)
Толщина,
мм
Коэффициент общего
пропускания солнечной энергии
0,10
0,89
0,20
0,78
0,50
0,68
Воздухонагреватели были покрыты разными типами полиэтиленовой
пленки. Измерения уровня воздухообмена и температуры воздуха на выходах
проводились с 10 до 17 часов. Температура воздуха внутри воздухонагревателя
регистрировалась с интервалом 1 мин в течение всего указанного периода с
трехкратной повторностью. Температуру фиксировали цифровые автономные
программируемые регистраторы FLUKE 54 2B (рисунок 4.1 а),
устанавливаемые на длительное время в воздухонагревателях на входе в
середине и в конце а также непосредственно перед входом в корпус сушилки
(рисунок 4.1 б).
97
Циркуляция воздуха в вытяжных трубах перекрывалась для замера
максимального нагрева воздуха в воздухонагревателе.
Места установки
датчиков
а)
б)
а- цифровой регистратор температуры; б-воздухонагреватели
Рисунок 4.1 - Оценка влияния конструктивных материалов сушилки
Фиксировалась скорость нагрева в период времени а затем контроль тепло
потерь в воздухонагревателях при перекрытых каналах в сушилку без подачи
свежего воздуха. Запись данных производилась до тех пор пока температура в
воздухонагревателе прекращала повышаться. Затем воздухонагреватель был
закрыт от попадания солнечных лучей, цифровые регистраторы фиксировали
температуру, после чего процесс повторялся.
По измеренным параметрам воздухообмена и температуры был выполнен
расчет тепло потерь по формуле
𝑄 = 𝑄𝑛 + 𝑄𝑐 + 𝑄пер + 𝑄д + 𝑄возд ,
(4.1)
где Q – суммарные теплопотери;
Q п – теплопотери через пленку;
Qс – теплопотери через стенки;
Qд – теплопотери через основание;
Qвозд – теплопотери с воздухообменом (Дж).
Теплопотери через пленку были найдены по формуле
𝑄𝑛 = 𝑆𝑛 · 𝜏 · 𝛥𝑇 · 𝑅𝑛 ,
где Sп – площадь пленки, м2;
τ – время проведения измерений, с;
𝛥Т – среднее значение разницы температур наружного воздуха и в
воздуховоде за период измерений, К;
98
(4.2)
Rп– сопротивление теплопередаче соответствующего типа пленки,м2·К/Вт.
Тепло потери при воздухообмене рассчитывались по формуле
𝑄возд = 𝐶возд · 𝜌возд · 𝑉возд · Т,
(4.3)
где Свозд – теплоемкость воздуха, Дж/(кг•К;)
ρ возд – плотность воздуха, кг/м3;
V возд – измеренный суммарный объем воздуха, прошедший за время
проведения измерений через воздухонагреватель, м3.
4.2.2 Исследование темпа нагрева теплоаккумулирующих материалов
Необходимость использования аккумулятора тепла в солнечной сушилке
возникает в следствии постоянной потребности тепловой энергии для
обеспечения интенсивного процесса сушки продуктов растительного
происхождения. Сияние солнце в момент сушки может быть не постоянным изза прохождения облаков закрывающие на время сияние солнце в результате
этого температура сушильного агента падает. Так как при сиянии солнца
поступает больше энергии чем необходимо, данную энергию можно накопить в
теплоаккумуляторе а затем использовать. Для проектирования теплового
аккумулятора важно учитывать стоимость материалов из которых
изготавливается аккумулятор тепла.
Изучив характеристики некоторых материалов которые имеются в
достаточном количестве в сельской местности, было проведено исследование
по оценке темпа нагрева и охлаждения в зависимости от вида материала
(приложение Е). В данном эксперименте в качестве исследуемых материалов
были использованы красный кирпич, бетон и речной песок которые
исследовались на установке согласно приведенной схемы (рисунок 4.2).
Для проведения исследования была собрана лабораторная установка
(рисунок 4.3). Установка состоит из нагревательного элемента, воздуховода,
термодатчиков. В исследуемом материале кирпича и бетона просверливалось
несколько отверстий разной глубины для ввода датчика температуры. После
установки датчиков температуры исследуемый материал помещался в
установку и нагревался в течении 30 минут после чего нагрев прекрашался и
материал охлаждался естественным образом. Эксперимент проводился а
трехкратной повторности.
Количество аккумулированной теплоты рассчитывалось по формуле:
𝑄 = 𝑚𝐶𝑝 · (𝑇2 − 𝑇1 ),
где m- масса материала, кг;
Ср- удельная теплоёмкость материала, кДж/кг·К;
Т1 – температура до нагрева, К;
Т2 – температура после нагрева, К.
99
(4.4)
1- основание; 2 – терморегистратор; 3 – нагреватель; 4 – исследуемый
материал; 5 – теплоизолированные стенки; 6 – заслонка
Рисунок 4.2 – Схема установки для исследования темпа нагрева
Рисунок 4.3 – Общий вид установки для исследования темпа нагрева
4.2.3 Определение среднего значения скорости воздуха на входе камеры
сушилки
По представленной схеме предлагаемой сушилки входная часть камеры
имеет прямоугольное сечение. Наличие трения воздуха о стенки коллекторов и
ряда других причин скорость возздуха в разных точках поперечного сечения
входного коллектора является неодинаковой. Как правило наибольшие
скорости находятся около центра сечения, наименьшее около стенок. Поэтому
количество воздуха (объем или масса) проходщей в еденицу времеи через
поперечное сечение, определялось как произведение площади попречного
сечения на среднею скорость потока воздуха.
В воздуховодах поперечного сечения средняя скорость может быть
определена по способу равновеликих площадей согласно стандартной методике
[109]. Поэтому сечения разбивалось на четыре равные площади (рисунок 4.4) и
отмечались точки замера скоростей с лева на право с помощью прибора Testo 435.
100
1
2
3
4
Рисунок 4.4 - Распределение точек замеров в прямоугольном сечении
воздуховода
Имеет место для замера скорости воздуха без разделения сечения на
равные площади с использованием прибора воронки. При использовании
прибора с воронкой отпадает необходимость проведения множеств замеров, что
дает более точный результат измерений и экономит время (рисунок 4.5).
Проводится лишь один замер.
В случае с дифузором без воронки вообще очень трудно обойтись. В
данном случае в комплект Testo -435 (рисунок 4.6) выше упомянутая воронка
не поставлялась.
Рисунок 4.5 - Установка воронки на вентиляционную решетку
Поэтому замеры проводятся согласно схемы рисунка 4.4 на входе камеры
сушилки. Согласно техническим характеристикам (приложение Ж) и был
использован прибор Testo -435 с чувстсительным элементом «Обогреваемая
струна» термоанеометр.
101
Рисунок 4.6 – Установка прибора Testo - 435 в воздуховод
Среднее значение скорости потока входного воздуха определялась по
формуле
𝑣ср =
∑𝑛
𝑖=1 𝑣𝑖
𝑛
,
(4.5)
𝑣𝑖 − величина скорости в i- той точке, м/с;
n - количество измерений (n = 16).
Для обеспечения точности значения повторились в трехкратной
повторностью.
Объемны расход воздуха определялся согласно формулы
где
𝑄 = 𝑣ср 𝐹 · 3600 ,
(4.6)
где 𝑣ср − средняя скорость потока воздуха, м/с;
F – площадь поперечного сечения на измеряемом участке, м2 .
4.2.4 Определение расхода отработанного теплоносителя из камеры
сушилки
Одним из наиболее распространенных изученных методов измерения
расхода жидкостей и газов в трубопроводах является способ скорости потока и
расхода [110].
Скорость потока в различных точках сечения трубы круглого сечения
также неодинаково. В трубопроводе она достигает максимального значения в
центральной части сечения и уменьшается по направлению к стенкам.
Для определения расхода необходимо знать среднею скорость потока, то
есть скорость, которая, будучи умножена на площадь сечения трубопровода и
плотность измеряемой среды, дает количество вещества протекающего через
трубопровод в единицу времени.
102
Скорость, измеряемая с помощью напорной трубки, соответствует местной
скорости потока воздуха в той точке, где установлена трубка. Поэтому для
определения средней скорости потока сечения трубопровода разбивают на «n»
участков с равными площадями (рисунок 4.7) и измеряют скорость в
определенной точке каждого участка. Общий вид прибора для определения
скорости потока воздуха представлен на рисунке 4.8.Обозначенная скорость на
каждом участке через 𝑣1 , 𝑣2 , … 𝑣𝑛 (м/с), соответствующие им динамические
давления через △ 𝑝1 , △ 𝑝2 … △ 𝑝𝑛 (Па), площадь сечения трубопровода при
рабочей температуре через F (м2 ), расход в единицах массы 𝑄м (кг/с), будет
иметь
𝑄м =
𝐹𝜌
𝑛
(𝑣1 +𝑣2 + … + 𝑣𝑛 ).
(4.7)
С другой стороны, согласно определения средней скорости
𝑄м = 𝜌𝐹𝑣ср .
(4.8)
Исключив 𝑄м из уравнения (4.3) и (4.4) получим
Рисунок 4.7 - Распределение точек замеров в круглом сечении воздуховода
𝑣ср =
1
𝑛
(𝑣1 + 𝑣2 + … + 𝑣𝑛 ).
(4.9)
Поскольку при определении средней скорости используется выражение
2
𝑣ср =ξ√ △.
𝜌
(4.10)
В свою очередь
1
√△ 𝑝ср = 𝑛 √△ 𝑝1 + △ 𝑝2 + ⋯ +△ 𝑝𝑛 ,
103
(4.11)
3
1
2
1 – трубопровод; 2- Testo -435; 3 – зонд
Рисунок 4.8 - Общий вид прибора для определения скорости потока воздуха
здесь △ 𝑝ср - динамическое давление, Па, соответствует средней скорости.
Определив среднею скорость можно найти количество вещества, (кг/с),
протекающего через трубопровод в единицу времени
𝑄м = 𝜌𝐹𝑣ср = ξ𝐹 √2𝜌 △ 𝑝ср ,
(4.12)
или
2
𝑄о = 𝜌𝐹𝑣ср = ξ𝐹 √ △ 𝑝ср .
𝜌
(4.13)
4.2.5 Определение изменения температурной зоны внутри камеры сушилки
от изменения расхода теплоносителя
Для изучения температурного поля внутри камеры сушилки, помещалась
современная измерительная аппаратура. Измерительная аппаратура установки
включала автономные регистраторы для записи температуры FLUKE54 2B
(рисунок 4.9).
В системе подачи теплового агента в камеру была предусмотрена
возможность проведения исследования путем подачи сушильного агента как с
дополнительными коллекторами с боковых стенок сушильной камеры а также
без дополнительных коллекторов. Регулировка расхода воздуха производилась
с помощью заслонки. В задачу исследований входило изучение влияния
расхода воздуха, поступающего в камеру сушилки на температурное поле.
Одновременно ставилась задача изучения температурной зоны по
горизонтальным и вертикальныи осям камеры в зависимости от способа подачи
воздуха.
104
Рисунок 4.9 – Общий вид автономного регистратора FLUKE54 2B
Изготовленные стеллажи из деревянного каркаса и сетки из капронового
материала, для расположения регистраторов размещались на определенной
высоте друг от друга. Стеллажи устанавливались на специальных выступах на
внутренней части стенки камеры (рисунок 4.10).
Регистраторы размещались по осям сечения, причем сечение камеры по
горизонтали разбивалось на равновеликие площадки, и отмечались
центральными линиями, где устанавливались регистраторы (рисунок 4.11).
Опыты проводились в следующем порядке. Сушилка подготавливалась до
рабочего состояния, и температура камеры доводилась до предельных
значений. Значения температуры для каждой зоны (сечения) измерялись
автономными регистраторами. Общий вид установки для определения
температурного поля с ригистраторами представленна рисунке 4.12.
Рисунок 4.10 – Расположение стеллажей и автономных регистраторов
FLUKE54 2B внутри камеры
105
1- камера; 2- регистраторы; 3- стеллажи
Рисунок 4.11 – Схема для определения температурного поля
Рисунок 4.12 – Общий вид установки для определения температурного поля
Таким образом замеры температуры в других уровнях сечения по высоте
снимались через каждые 200 мм. Замеры температуры в трех уровнях
происходила в одновременно.
После чего изменяя расход входного воздуха в камеру и анологично опыт
был повторен. Пределы и интервалы варьирования расхода теплоносителями и
уровни установки регистраторов представлены в таблице 4.1
106
Таблица 4.1- Пределы варьирования скорости потока теплоносителя и уровни
установки термопар
Пределы варьирования
Наименование факторов
1
2
3
Расход теплоносителя, м3 /с
0,24
0,24
0,22
Уровни установки регистраторов
(от верхнего края камеры), м
0,2
0,4
0,6
Опыты проводились в случайном порядке по методике однофакторного
эксперимента с фиксацией остальных факторов на постянном уровне.
4.2.6 Исследование изменения влагосодержания растительных продуктов
от временно-температурных параметров процесса сушки
Для ведения опытов исследования изменение
влагосодержания
растительных продуктов, от временно-температурных параметров процесса
сушки по многофакторному эксперименту была принята методика
планирования эксперимента по рототабельному плану второго порядка.
Выбор независимых переменных был обусловлен основными
закономерностями технологического процесса сушки, где основную роль при
обезвоживании играла температурная зона нахождения массы, вторым
показателем было время ее выдержки при заданной температуре, и третьим
переменным был выбран средний размер толщины долек, который оказывал
существенное влияние на интенсивность выделения влаги. Интервалы, уровни
варьирования независимых переменных и матрица плана эксперимента
приведены в таблицах 4.2 и 4.3
Таблица 4.2 - Значения уровней и интервалов варьирования факторов
Обозначение
Кодированн
ые значения
1
2
3
Факторы
экспозиция
выдержки τ,
ч.
4
Основной уровень
0
45
6
ε
15
2
10
+1
-1
60
30
8
4
40
20
+ 1,68
70
9,36
46,8
Интервал
варьирования
Верхний уровень
Нижний уровень
Верхняя звездная
точка
температура
среды Т, °С
107
толщина
долек a,
мм
5
30
Продолжение таблицы 4.2
1
2
Нижняя звездная
-1,68
точка
Кодовое
обозначение
3
4
5
20
2,64
13,2
Х1
Х2
Х3
Таблица 4.3- Матрица плана и уровни варьирования факторов
№ опыта
1
1
2
3
4
1
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Температура
среды
Экспозиция
выдержки
Толщина долек
Х1
Т, °С
Х2
τ, ч.
Х3
a, мм
2
-1
1
-1
1
2
-1
1
-1
1
-1,68
1,68
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
3
30
60
30
60
3
30
60
30
60
20
70
45
45
45
45
45
45
45
45
45
45
4
-1
-1
1
1
4
-1
-1
1
1
0
0
-1,68
1,68
0
0
0
0
0
0
0
0
5
4
4
8
8
5
4
4
8
8
6
6
2,64
9,36
6
6
6
6
6
6
6
6
6
-1
-1
-1
-1
6
1
1
1
1
0
0
0
0
-1,68
1,68
0
0
0
0
0
0
7
20
20
20
20
7
40
40
40
40
30
30
30
30
13,2
46,8
30
30
30
30
30
30
Камера обогревалась с помощью электроспирали и необходимое значение
температуры в камере поддерживалась с помощью реле температуры. Скорость
воздуха фиксировалась с помощью реле регулятора и заслонки камеры
обогрева, который во время эксперимента составлял 0,5 м/с. Так как в реальных
гелиосушилках скорость потока воздуха варьируется в пределах 0,26 – 0,5 м/с.
В качестве функции отклика принято значение влагосодержания частиц
материала, подверженного тепловой обработке. Для проведения опытов была
изготовлена лабораторная установка (рисунок 4.13).
108
1 – реле температуры; 2 – электромотор; 3 – вентилятор; 4 – электроспираль;
5 – термометры; 6 – лоток; 7 – камера обогрева; 8 – материал; 9 – заслонка
Рисунок 4.13 - Схема установки для исследования изменения влажности
Температура фиксировалась с помощью термометров установленных
снизу и сверху, при входе и выходе камеры обогрева.
Исследуемое сырье фиксированного размера и влажности устанавливали
на лоток в камере обогрева (рисунок 4.14).
1
2
3
4
5
1– реле температуры; 2 – аналитические весы; 3 – камера для обогрева;
4 – реле времени; 5 – сушильный шкаф
Рисунок 4.14 - Общий вид установки для исследования изменения влажности
По истечении времени опыта, заданного по плану эксперимента,
обработанное сырье взвешивалось, и определялась его влажность. Опыты
рандомозированы во времени в трехкратной повторности.
109
Результаты опытов обрабатывались на ЭЦВМ, по которым рассчитывались
коэффициенты регрессии математической модели и, велся их статистический
анализ [111,112].
По полученной математической модели оценивалось влияние факторов на
значения функции отклика (приложение И).
4.2.7 Исследование изменения влагосодержания растительных продуктов в
зависимости от обработки, размера и формы нарезки материала
Изменение влагосодержания растительных продуктов в зависимости от
обработки, размера и формы нарезки материала исследовалось на лабораторной
установке по условиям 6 опытов.
Опыт - 1. Влияние способа бланширования на процесс сушки яблок.
Подготовка сырья: была проведена мойка яблоки нарезка, нарезаются
кружочками толщиной 5 мм. Нарезанные яблоки бланшировались тремя
способами:
1.Бланширование в растворе сахара 3 минуты (на 1 л воды 10г сахара).
2.Бланширование в растворе соли 3 минуты (на 1 л воды 10г соли).
3.Без обработки.
После бланширования яблоки сразу помещались в сушилку. В ходе сушки
непрерывно измерялись температура в сушилке и снаружи.
Окончание сушки определялось взвешиванием до постоянного веса. По
каждому варианту определялись время сушки и убыль веса.
Опыт – 2. Влияние толщины нарезки на процесс сушки яблок.
Подготовка сырья: яблоки моются, нарезаются кружочками и дольками
разной толщины:
1 - вариант – кружочки 5 мм.
2 - вариант – кружочки 8 мм.
3 - вариант – кружочки 11 мм.
4 - вариант – дольки 5 мм.
5 - вариант – дольки 10 мм.
6 - вариант – дольки 15 мм. Сушка в сушилке.
7 - вариант – дольки 15 мм. Сушка в тени.
Нарезанные разной толщиной яблоки бланшировались в растворе
поваренной соли и помещались в сушильную камеру. В ходе сушки
непрерывно измерялись температура в сушилке и снаружи. Окончание сушки
определялось взвешиванием до постоянной массы. По каждому варианту
определялись время сушки и убыль массы.
Изучение способов подготовки баклажан к гелиосушке.
Опыт – 3. Влияние способа бланширования на процесс сушки баклажан.
Подготовка сырья: Баклажаны предназначенные для сушки подвергались
мойки, нарезались дольками толщиной 10 мм. Нарезанные баклажаны
бланшируются:
1- вариант. В растворе поваренной соли 5 минут (на 1 л воды 10г соли).
2- вариант. Без обработки.
После бланширования баклажан сразу помещается в сушильную камеру.
110
Опыт – 4. Влияние толщины и способа нарезки на процесс сушки
баклажан
Подготовка сырья: баклажаны моются, нарезаются кружочками и дольками
разной толщины:
1- вариант – кружочки толщиной 5 мм.
2 - вариант – кружочки толщиной 8 мм.
3 - вариант - кружочки толщиной 11 мм.
4 - вариант – дольки толщиной 5 мм.
5 - вариант – дольки толщиной 10 мм.
6 - вариант – дольки толщиной 15 мм.
7 - вариант – кружочки толщиной 8 мм (сушка в тени)
Нарезанные разными способами и разной толщиной баклажаны сразу без
бланширования помещались в сушильную камеру.
Изучение способов подготовки перца болгарского к гелиосушке.
Опыт – 5. Влияние способа бланширования на процесс сушки перца
болгарского.
Подготовка сырья: Перец болгарский очищался от семян, моется,
нарезался колечками толщиной 15 мм. Нарезанный перец бланшировался:
1. Бланширование в растворе соли 3 минуты (на 1 л воды 10г соли).
2. Без обработки.
После бланширования перец сразу помещался в сушилку. В ходе сушки
непрерывно измерялись температура в сушилке и снаружи. Окончание сушки
определялось взвешиванием до постоянного веса. По каждому варианту
определялись время сушки и убыль массы.
Опыт – 6. Влияние толщины и способа нарезки на процесс сушки перца
Подготовка сырья: Перец болгарский очищался от семян, подвергался
мойке, нарезался колечками, полосками и квадратиками разных размеров:
1 - вариант – кужочки шириной 10 мм.
2 - вариант – кужочки шириной 15 мм.
3 - вариант - кужочки шириной 20 мм.
4 - вариант – полоски шириной 10 мм.
5 - вариант – полоски шириной 15 мм.
6 - вариант – квадратики 10х10 мм.
7 - вариант – квадратики, 20х20 мм.
После нарезки перец без обработки сразу ставился на сушку.
4.3 Результаты исследований
4.3.1 Оценка влияние конструктивных материалов сушилки на степень
нагрева сушильного агента
Результаты изменения температуры представлены в виде графиков на
рисунках 4. 15, 4.16, 4.17.
Средняя температура наружного воздуха за время наблюдения составляла
303 К, средняя температура в воздухонагревателях 335 К.
111
Температура, К
y = 0,1821x + 36,5
R² = 0,8503
Ряд1
y = -0,2304x + 52,5
R² = 0,9798
0
50
Время, мин
100
Ряд2
150
Ряд 1- повышение температуры воздуха;
Ряд 2-падение температуры воздуха
Рисунок 4.15 - График изменения температуры от времени для
пленки 0,1 мм
Температура, К
y = 0,2577x + 36,333
R² = 0,9672
Ряд1
y = -0,1726x + 57,833
Ряд2
R² = 0,9749
0
50
100
150
Время, мин
Ряд 1- повышение температуры воздуха;
Ряд 2-падение температуры воздуха
Рисунок 4.16 - График изменения температуры от времени для
пленки 0,2мм
Температура, К
y = 0,2065x + 31,417
R² = 0,9346
y = -0,1726x + 57,833
R² = 0,9749
0
50
100
Ряд1
Ряд2
150
Время, мин
Ряд 1- повышение температуры воздуха,
Ряд 2-падение температуры воздуха
Рисунок 4. 17 - График изменения температуры от времени для
пленки 0,5 мм
112
Из графиков видно, что температурный режим в воздухонагревателе на 30
К превышает значения температуры открытого пространства, средняя
температура наружного воздуха за время наблюдения составляла 303 К,
средняя температура в воздухонагревателях 335 К такие результаты дают
основание говорить о удовлетворительной работе воздухонагревателя.
Толщина и коэффициент пропускания солнечной энергии полиэтиленовой
пленки влияет на скорость нагрева воздуха в воздухонагревателе что влияет на
производительность солнечной сушилки, так абсолютно прозрачная пленка
толщиной 0,1 мм нагревала воздухонагреватель быстрее однако потери тепла
через пленку происходили быстрее, за 1 минуту температура опустилась с 335
К до 281К, прозрачная пленка толщиной 0,2 мм нагревает воздухонагреватель
немного медленнее однако потери тепла через пленку меньше (с 335 К до 329 К
за 1 минуту), матовая пленка толщиной 0,5 мм нагревает дольше однако потери
тепла через пленку незначительные, (с 335 до 330 К за 1 минуту).
4.3.2 Исследование темпа нагрева теплоаккумулирующих материалов
Результаты темпа нагрева охлаждения материалов толщиной 20 и 50 мм
приведены на рисунках 4.18, 4.19, 4.20, 4.21.
Из графиков приведенных выше видно, что скорость нагрева речного
песка намного выше чем у красного кирпича и бетона, однако потеря теплоты у
речного песка происходит намного интенсивнее по сравнению с красным
кирпичом или бетоном. Красный кирпич обладает лучшей способностью
удерживания теплоты чем бетон при толщине 20 – 30 мм, при толщине свыше
50 мм темп нагрева бетона немного выше. Из выше указанного следует что
оптимальным вариантом является система в конструкции которого солнечный
коллектор и аккумулятор тепла работают совместно, так как применение
теплового аккумулятора в качестве красного кирпича может обеспечит
равномерность сушильного агента при кратковременной облачности до 15 – 20
минут.
340
335
Температура, К
330
325
320
315
бетон
310
305
кирпич
300
песок
295
290
285
0
5
10
15
20
25
30
35
Время, мин
Рисунок 4.18 – Темп нагрева материалов толщиной 20 мм
113
340
Температура, К
335
330
325
бетон
320
кирпич
315
песок
310
305
0
5
10
15
20
25
Время, мин
Рисунок 4.19 – Темп охлаждения материалов толщиной 20 мм
335
330
Температура, К
325
320
315
бетон
310
кирпич
305
песок
300
295
290
0
5
10
15
20
25
30
35
Время, мин
Рисунок 4.20 – Темп нагрева материалов толщиной 50 мм
335
Температура, К
330
325
бетон
320
кирпич
315
песок
310
305
0
5
10
15
Время, мин
20
25
Рисунок 4.21 – Темп охлаждения материалов толщиной 50 мм
114
4.3.3 Среднее значение скорости воздуха на входе камеры сушилки
Согласно приведенной методике по определению скорости воздуха
на входе в камеру сушилки в результате исследования в трехкратной
повторности получены следующие данные скорости воздуха на входе
приведенные в таблице 4.5.
Таблица 4.5 – Значения скорости воздуха на входе в камеры сушилки
№
площади
Количество
точек замера
1
1
2
0,175
0,176
0,158
0,156
4
0,156
0,151
0,153
0,151
1
0,176
0,176
0,176
2
0,171
0,170
0,171
3
0,170
0,171
0,172
4
0,159
0,161
0,158
1
0,156
0,158
0,157
2
0,156
0,158
0,156
3
0,153
0,153
0,153
4
0,153
0,154
0,153
1
0,156
0,161
0,159
2
0,156
0,161
0,158
3
0,153
0,153
0,153
4
0,153
0,153
0,152
0,160
0,161
0,151
3
2
3
4
Скорость потока воздуха м/с
Опыт 1
Опыт 2
Опыт 3
0,171
0,170
0,171
Средняя скорость м/с
0,176
115
Согласно таблице 4.5 среднее значение скорости воздуха в камете сушилки
составляет - 0,157 м/с;
Далее по формуле (4.6) определялось значение объемного расхода воздуха
равное - 209 м3/час
4.3.4 Определение расхода отработанного теплоносителя из камеры
сушилки
Поскольку при определении расхода теплоносителя в представленной
формуле (4.9) в подразделе 4.2.2 необходимо было значение плотности воздуха
при температуре 318,5 К. Поэтому было использованы известные
закономерности (Приложение К) изменение плотности от температуры
(рисунок 4.22).
1,4
1,293
1,221
1,2
1,11
1
Плотность кг/м³
0,946
0,8
0,746
0,6
0,456
0,4
0,2
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Температура, К
Рисунок 4.22- Изменение плотности воздуха от температуры
Значения
скорости
и
соответсвующий
расход
отработанного
теплоносителя после определения согласно методики были занесены в таблицу
4.6.
Таблица 4.6 – Значения скорости отработанного теплоносителя
Точки замера
1
2
3
4
Скорость
потока м/с
1,22
1,24
1,25
1,24
116
Расход отработанного теплоносителя составил - 0,63 кг/с
4.3.5 Значения температурных зон внутри камеры сушилки от изменения
расхода теплоносителя
В результате исследования температурной зоны в камере сушилки
получены кривые темературной зоны на трех уровнях (рисунки 4.23, 4.24, 4.25).
по оси ОХ
330
Температура, K
329
328
327
326
325
324
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Расстояние от центра к боковой стенки, мм
Ряд1
Ряд2
по оси ОУ
326,5
Тем пература, K
326
325,5
325
324,5
324
0
200
400
600
800
1000
1200
Расстояние от задней стенки к воздуховоду, мм
Ряд1
Ряд2
Ряд 1- Температура без дополнительных коллекторов,
Ряд 2-Температура с дополнительными коллекторами
Рисунок 4. 23– Кривые температурного поля на первом уровне
117
по оси ОХ
327
326,5
Температура, K
326
325,5
325
324,5
324
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Расстояние от центра к боковой стенки, мм
Ряд1
Ряд2
по оси ОУ
327
Температура, K
326,5
326
325,5
325
324,5
324
0
200
400
600
800
1000
Расстояние от задней стенки к воздуховоду, мм
Ряд1
Ряд2
Ряд 1- Температура без дополнительных коллекторов,
Ряд 2-Температура с дополнительными коллекторами
Рисунок 4. 24 - Кривые температурного поля на втором уровне
118
1200
по оси ОХ
328
Температура, K
327,5
327
326,5
326
325,5
325
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Расстояние от центра к боковой стенки, мм
Ряд1
Ряд2
по оси ОУ
328
Температура, K
327,5
327
326,5
326
325,5
325
0
200
400
600
800
1000
Расстояние от задней стенки к воздуховоду, мм
Ряд1
Ряд2
Ряд 1- Температура без дополнительных коллекторов,
Ряд 2-Температура с дополнительными коллекторами
Рисунок 4. 25 - Кривые температурного поля на третьемм уровне
119
1200
Данные температуры, полученные, на первом уровне показывает, что по
оси ОХ (это поперечное направление движению потока воздуха) ближе к
боковой стенке камеры уменьшается. Однако в дальнейшем температура
потока воздуха стабилизируется за счет распространения теплоносителя по
всей камере (отличается всего порядка 1-1,5 К). Это означает, что в камере
температура поперечном направлении более равномерная.
Экспериментальные данные изменения температуры по оси ОУ почти
совпадает теоретическими данными, представленные в разделе 3, т.е. ближе
дальней стенки камеры меньше в порядке на 2К. Это связано, тем что отсос
происходит естественным образом, и поток горячего воздуха стремится по
прямой линии вверх. Около дальней стенки образуется пассивная зона, куда не
попадает поток горячего воздуха.
Для выравнивания температуры по зонам в камере установленные
дополнительные боковые коллекторы позволили повысить температуру около
дальней стенки (начало оси ОУ).
4.3.6 Изменения влагосодержания растительных продуктов, от временнотемпературных параметров установки
В результате экспериментальных исследований [113] выявлено, что
изменение влагосодержания мякоти плодов зависит от толщины долек,
продолжительности обработки и температуры. На основе многофакторного
эксперимента с варьированием этих факторов получено множественное
уравнение регрессии
Y = 768,381 – 11,002 X1 – 5,58X2 – 0,086 X3,
(4.14)
при условиях:
20 ≤ T ≤ 70
2,64 ≤ τ ≤ 9,36
13,2 ≤ a ≤ 46,8
В результате исследований установлено, что изменение влагосодержания в
продуктах сушки зависло от толщины нарезки, продолжительности обработки
и температуры. На основе многофакторного эксперимента с варьированием
этих факторов получено множественное уравнение регрессии первого порядка
соответственно для яблок, баклажан и перца:
W = 166,14 – 0,73T – 2,79τ – 0,08a,
(4.15)
W = 159,68 – 0,69T – 1,83τ – 0,05a,
(4.16)
W = 149,76 – 0, 59T – 0,92τ – 0,01a.
(4.17)
Варьируемые значения параметров по условиям эксперимента были
приняты одинаковыми. Проверка значимости коэффициентов регрессии в
120
полученной модели по критерию Стьюдента показала, что все коэффициенты
являются значимыми.
Однако полученные зависимости для всех видов продуктов являются
линейными. Скорее всего, эти пределы изменения факторов имеют небольшой
диапазон, сушка проходит в мягком режиме, как режимы гелиосушилки.
В уравнении (4.15) свободный член имеет большее значение, чем в (4.16) и
(4.17), это связано с количеством влаги в исходном материале: для яблок оно
наивысшее, далее идет баклажан, и самую низкую влажность имеет перец.
Более значимым фактором является температурный режим во всех трех
моделях, также этот фактор меняется в зависимости от влажности материалов,
самое высокое значение у яблок и низшее у перца, и такой закономерности
подчиняется влияние других факторов.
4.3.7 Изменения влагосодержания растительных продуктов в зависимости
от обработки, размера и формы нарезки материала
В зависимости от способов обработок сырья перед сушкой у
расматриваемых культур
наблюдались значительные различия по
продолжительности сушки и по качеству готовой продукции.
Яблоки обработанные раствором сахара в самом начале сушки начали
темнеть. Первым завершилась сушка яблок из варианта без обработки (время
сушки 18 часов). А время сушки яблок подвергнутых бланшированию (21 ч.)
было несколько больше (рисунок 4.26).
40
33
Время сушки, ч
35
34
31
30
25
21
23
21
22
18
20
20
15
10
5
0
яблоки
Раствор сахара
баклажаны
перец
Раствор соли
Без обработки
Рисунок 4.26- Скорость сушки плодов и овощей в зависимости от способа
бланширования
Высушенные яблоки различались также по внешнему виду и по качеству.
Яблоки обработанные раствором сахара имели слегка темноватую окраску, но
хороший аромат и сладкий, приятный вкус. Яблоки обработанные раствором
соли имели таже после высушивания яркую и свежую окраску, сладкий чистый
вкус, но несколько слабоватый аромат. Яблоки без обработки после
высушивания местами слегка потемнели, но имели в целом хороший внещний
вид, аромат и вкус (рисунок 4.27).
121
Рисунок 4.27 - Внешний вид сушенных плодов и овощей в зависимости от
способа бланширования.
У
перца
после
бланширования
слабым
раствором
соли
продолжительность сушки оказалась меньше (31 час) чем у необработанного
перца (34 часа). Однако перец обработанный слабым раствором соли
приобрел несколько потемневшую окраску и имел слабый аромат, а перец
необработанный наоборот сохранил привлекательную яркую окраску и
естественный сильный аромат.
В зависимости от способа и толщины нарезки плодов и овощей также
изменялись продолжительность их сушки (рисунок 4.28).
122
Перец болгарский
Время сушки. час;
колечки,15 мм; 28
Время сушки. час;
колечки,10 мм; 22
Время сушки. час;
колечки,20 мм; 32
Время сушки. час;
дольки,10 мм; 23
Время сушки. час;
дольки,15 мм; 25
Яблоки
Время сушки. час;
Время сушки. час; кружочки, 11 мм; 32
кружочки, 8 мм; 28
Время сушки. час;
кружочки, 5 мм; 7
Время сушки. час;
кружочки, 5 мм; 6
Время сушки. час;
квадратики, 10х10 мм;
20
Время сушки. час;
дольки, 10 мм (в
тени); 49
Время сушки. час;
Время сушки. час; дольки, 15 мм; 31
дольки, 10 мм; 27
Время сушки. час;
дольки, 5 мм; 6,5
Баклажан
Время сушки. час;
кружочки, 8 мм; 25
Время сушки. час;
квадратики, 20х20 мм ;
29
Время сушки. час;
кружочки, 11 мм; 28
Время сушки. час;
дольки, 10 мм; 24
Время сушки. час;
дольки, 10 мм (в тени);
35
Время сушки. час;
дольки, 15 мм; 26
Время сушки. час;
дольки, 5 мм; 5
Рисунок 4.28 - Продолжительность сушки плодов и овощей в зависимости от
способа и толщины нарезки
У всех культур наблюдается одинаковая закономерность – с уменьшением
толщины нарезки
продолжительность сушки сокращается. Так яблоки
нарезанные дольками толщиной 5 мм высыхали за 6,5 часов, а яблоки
нарезанные дольками толщиной 15 мм высыхали за 31 час.
Однако чрезмерное уменьшение толщины нарезки приводило к тому что
сушенная продукция ломалась, крошилась и в целом увеличивалась доля
нестандартной продукции. Внешний вид плодов и овощей нарезанных разными
способами и разной толщины приведена на рисунке 4.29
123
Рисунок 4.29 - Внешний вид сушенных плодов и овощей в зависимости от
способа и толщины нарезки
Яблоки нарезанные дольками толщиной 10 мм высушивались в
гелиосушилке и на открытом воздухе в тени. В гелиосушилке
продолжительность сушки составила 27 часов, а на открытом воздухе в тени
49 часов.
На некоторых вариантах в зависимости от способа и толщины нарезки
определялась динамика сушки (рисунок 4.30), для чего образцы из этих
вариантов взвешивались через каждый час [114].
124
Динамика сушки яблок
100
Масса, г
80
60
кружочки, 11 мм
40
дольки, 15 мм
20
дольки 15 мм (в тени)
0
Время, ч
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
кружочки, 8 мм
дольки, 5 мм
кружочки, 8 мм (в тени)
10.00
12.00
14.00
15.00
16.00
18.00
20.00
9.00
10.00
11.00
12.00
13.00
14.00
15.00
17.00
19.00
21.00
Масса, г
Динамика сушки баклажан
Время, ч
Масса, г
Динамика сушки болгарского перца
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
кружочки, 15 мм
полоски, 10 мм
квадратики 20х20 мм
Время, ч
Рисунок 4.30 - Динамика сушки плодов и овощей в зависимости от способа и
толщины нарезки
Из графиков характеризующих динамику сушки плодов и овощей в
зависимости от способа и толщины нарезки видно, что наиболее оптимальным
по динамике и по продолжительности сушки являются яблоки нарезанные
дольками толщиной 10 мм, баклажаны нарезанные дольками толщиной 5 мм,
125
перец болгарский нарезанный полосками шириной 10 мм и квадратиками 20х20
мм.
Выводы по 4 разделу
По результатам проведенных эксперементальных можно сделать
следующие выводы:
1. При определении влияния конструктивных материалов на степень
нагрева а также сохранение количества тепла в солнечном коллекторе сушилки
установлено, что применение абсолютно прозрачной полимерной пленки
толщиной 0,2 мм позволяет ускорить нагрев коллектора и снизить потери тепла
в 2 раза.
2. Из исследованных материалов длительное сохранение тепла в
солнечном коллекторе обеспечивает красный кирпич, выполняющего
одновременно роль теплового аккумулятора.
3. Равномерность теплового поля в камере гелиосушилки достигается
путем
использования
дополительных
гелиоколлекторов
и
теплоаккумулирующего устройства.
4. Установлена толщина нарезки материалов влияющие на процесс сушки
в гелиосушилке: для яблок и для баклажан – 10 мм, для перца болгарского
полосками шириной – 10-15 мм и квадратиками 20х20.
126
5. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ РАЗРАБОТАННОЙ
ГЕЛИОСУШИЛКИ И ЕЕ ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
5.1 Программа испытаний гелиосушилки
Результаты теоретических предпосылок и лабораторных исследований,
представленные в предыдущих разделах, позволили разработать и изготовить
экспериментальный образец установки для гелио сушки плодов и овощей при
производстве сушенных растительных продуктов.
Конструктивные размеры, мощностные и тепловые параметры гелио
сушилки были выбраны с учетом физико-механических, теплофизических
свойств продуктов сушки. В 2013 году согласно разработанной технической
документации выполненной с помощью программы Auto CAD – e [115, 116]
был изготовлен производственный образец предлагаемой гелиосушилки.
Расчетная производительность гелиосушилки в зависимости от вида продуктов
сушки была принята в пределах 1,06 кг/ч.
Устройство выполнено с возможностью поворота посредством опорных
колес
1,
размещенных
на
его
основании,
которое
включает
воздухонагревательный элемент от энергии солнца 2, вертикальную
сушильную камеру 3, два дополнительных коллектора 4 и основной коллектор
5, воздуховод 6 ( рисунок 5.1).
Предлагаемая установка работает следующим образом. В дневное время
солнечные лучи проходит через экран 7, через слой парниковой защиты,
нагревают воздух в гелиовоздухонагревателе сушильной камеры 3 и
аккумулятора тепла 2. Теплый воздух поступает в сушильную камеру 3,
спереди через основной коллектор 5, и сбоку через дополнительные
коллекторы 4, которые в свою очередь обеспечивают приток сушильного агента
к задней части сушильной камеры, где используется для сушки сырья, а
отработанный воздух поступает в воздуховод 6 и выводится наружу.
6
3
5
7
4
2
4
1
Рисунок 5.1- Экспериментальная гелиосушилка
127
Программой испытания предусматривалось:
-исследование кинетики сушки процессе в работы сушилки;
-выявление
рациональных
технологических
режимов
работы
предложенной сушилки;
-исследование по оценке качества сушенных продуктов.
Для реализации данной программы предлагаемая гелиосушилка
подготавливалась для производственного испытания. Выполнялась подготовка
на базе учебно-производственного центра «Агротехсервис» Казахского
национального аграрного университета. После выполнения подготовительных
работ к испытаниям сушилка была транспортирована в Казахский НИИ
картофеля и овощей (Казахский НИИКиО). Место для проведения испытания
гелиосушилки подбиралось на специально подготовленной площадке, с целью
обеспечения максимального поступления солнечных лучей в течение дня
(приложение Л).
Температура и влажность воздуха при сушке овощей, фруктов и
лекарственных трав является очень важным показателем. Поэтому контроль
нагревакамеры и влажности данной гелиосушилки являлся весьма важным
показателем, которое повляло на производительность.
Для замера температуры и влажноти воздуха в гелиосушилке
использовались портативные регистраторы серии Hobo pro V2 - устройства
предназначенные для установки в местах определения температуры и
влажности воздуха (рисунок 5.2).
Рисунок 5.2 – Внешний вид регистратора HOBO Pro v2
5.2 Методика проведения производственных испытаний
5.2.1 Исследование кинетики сушки процессе в работы сушилки
Одним из важных показателей при сушке овощей фруктов и
лекарственных трав является температурный режим и относительная влажность
воздуха. Традиционные лабораторные методы определения влажности и
температуры в большинстве случаев не подходят для современных требований,
когда необходим экспресс и постоянный контроль этого параметра. Выполнять
128
с высокой точностью и надежностью измерения влажности и темпратуры в
газообразных средах помогают специально разработанные для этих целей
измерители относительной влажности и температуры регистраторы.
В портативном регистраторе серии Hobo pro V2 как в современных
существующих регитраторов, показывающие температуру в реальном времени
и ее записи на электронный носитель (карта памяти) встроенный
непосредственно в самом регистраторе. Диапазон измерения температуры
воздуха для данного ригистратора может варироваться от 223 К до 363 К (от -50
º С до 90 º С), как для большинства сомописущих термотметров.. Основные
преимущества: Корпус с защитой от воздействия окружающей среды для
использования во внешней или конденсированной среде, высокоточные
измерения, сменный датчик относительной влажности, внешние датчики
малого диаметра для измерения в труднодоступных местах, оптический USBинтерфейс для быстрой и надежной загрузки данных (рисунок 5.3)
Рисунок 5.3 – Внешний вид интерфейса программы
Портативные приборы позволяют запоминать до 10 000 значений с
задаваемым интервалом и привязкой к реальному времени, что обеспечивает
автономное протоколирование результатов измерений. Результаты измерений
могут быть выведены в текстовом или графическом виде на компьютер, что
предусмотрено программой обработки данных. Последний из них веден запись
как температуры воздуха так и относительную влажность воздуха.
Использованные в нашей практике приборы имеют малые габариты, просты и
удобны в эксплуатации. Важным достоинством регистраторов является
возможность его без подзарядки на протежении 60 дней.
Три регистратора были установлены диагонально в трех точках, другие три
регистратора распологались на 30 сантиметров выше и устанавливались также
по диагонали в трех точках (рисунок 5.4). После установки регистраторов на
стелажи укладывалось сырье и двери сушилки закрывались.
129
Рисунок 5.4 – Регистраторы в процессе установки в камеру сушилки перед
сушкой
Данные регистраторы калибровались перед началом измерений. Перед
установкой регистраторов в сушилку их показания сверялись с показаниями
контрольных термометров.
Сверка достоверности показаний проводилась в лабораторных условиях,
для этой цели они помешаютя в сушильный шкаф и при последующем
охлаждении через каждые 10 градусов температуры
производилась
одновременная запись показаний всех термометров (рисунок 5.5). Термометры
устанавливались в корпус сушилке в разных точках и уровнях и
активировались одноврменно затем корпус сушилки закрывался дверьми
установленных на сушилке. Для сравнения температуры внутри сушилки
записывались данные и окружающей среды в момент проведени исследований.
После завершения записи данных прибор подлючался к компьютеру где
данные расшифровавались. Скорость воздуха фиксировалась на входе в корпус
и на выходе из корпуса сушилки прибором TESTO-435.
С помощью данного прибора можно было также наблюдать текущие
значения температуры и влажности сушильного агента (рисунок 5.6).
Рисунок 5.5 – Общий вид сушильного шкафа
130
Рисунок 5.6 – Контроль скорости воздуха и температуры прибором
Testo-435
5.2.2 Выявление рациональных технологических режимов работы
предложенной сушилки
На сушильной установке была поставлена и проведена серия
экспериментов, для выявления рационального технологического режима
предлагаемой сушилки в зависимости от степени загрузки объекта сушки. В
качестве объекта сушки были взяты три культуры: болгарский перец,
баклажаны, яблоки.
Эксперименты были объединены общими начальными условиями.
Исследуемое сырье подвергалось мойке в воде нарезалось до фиксированного
размера и устанавливалось на стеллаж в корпусе сушилки. Контрольные
образцы для определения влагосодержания были разложены в количестве по
500 грамм для каждой культуры.
Относительная влажность окружающей среды во время проведения
экспериментов, составляла в среднем 30 %.
В ходе процесса сушки производились промежуточные взвешивания
полуфабриката с целью определения массопотерь и установления
закономерностей сушки. Эксперименты проводились до потерь влаги до
постоянной массы от первоначальной контрольной величины.
Для определения влагосодержания использовался метод высушивания до
постоянной массы.
Количество влаги, испарившейся в сушильной камере
W
Wоб1  Wсух  2
100
,
(5.1)
где Wоб, Wсух – массы поступающей в сушилку и выходящей продукции, кг;
1, 2 – влажность продукции до и после сушки, %.
Относительная влажность определялась по формуле
131
WОТ 
Wвл
 100%
Wсух
,
(5.2)
Wвл  Wоб  Wсух .
(5.3)
Продукт сушки находился в сушилке в течение времени, равного
приблизительно 70% полного времени сушки, установленного в
предварительном лабораторном эксперименте, после чего отдельно
подготовленные и взвешанные продукты сушки которые были разложены в
трех точках по диагонали на стеллажах извлекают из шкафа, закрывают
крышками, охлаждают около 20 минут и взвешивают. Продолжают
высушивание проб в заданном режиме, проводя контрольные взвешивания
через промежутки времени, равные примерно 10% полного времени сушки.
Определяют изменение массы пробы в течение каждого из этих периодов
сушки и прекращают испытание, если снижение массы оказывается меньше
0,0020 г. Допускается перерыв в проведении высушивания не более чем на 48 ч
при условии хранения в закрытых пакетиках.
Так как во многих гелиосушилках скорость потока воздуха варируется в
пределах 0,26 – 0,5 м/с, количество укладываемого сырья определялась
скоростью потока воздуха и температурой воздуха в камере. Так при загрузке
сырья более 15 кг скорость потока воздуха снижалась ниже 0,20 м/с.
Условия проведения экспериментов представлены в таблице 5.1.
Таблица 5.1 – Начальные условия эксперимента
Условия
Общая загрузка
камеры, кг
Контрольная масса, г
Перец
15
10
Баклажаны
5
500
15
10
500
Яблоки
5
15
10
5
500
5.2.3 Исследование по оценке качества сушенных продуктов
Полностью высушенные продукты подвергались химическому анализу в
Казахском НИИ картофеля и овощей по следующим методам [117 -119]:
-содержание сухих веществ - методом высушивания;
-общего сахара - по Бертрану, извлечение проводили дистиллированной
водой при температуре 353К,последущей инверсией соляной кислотой.
Готовый раствор смотрели на фотоэлектроколориметре (ФЭК). Светофильтр
№8;
- витамина «С» - по Мурри, (извлечение витамина «С» проводили 1%
соляной кислотой с последующим титрованием краской Тильманса – 2,6
дихлорфенолиндофенол);
-общей кислотности – методом титрования, (извлечение органических
кислот проводили дистиллированной водой при температуре 353 К, с
последующим титрованием 0,1 гидроокисью калия в присутствии индикатора
фенолфталеина);
132
-нитратов
электродов.
–
ионометрический
с
использованием
ионоселективных
5.3 Результаты производственных испытаний
5.3.1 Исследование кинетики сушки в процессе работы сушилки
Для исследовании кинетики сушки в качестве сырья сушки были
использованы плоды баклажан, болгарского перца и яблок в количестве по 15
килограммов каждой культуры (рисунки 5.12, 5.13, 5.14).
Из трех графиков можно увидеть, что уже через 30- 40 минут температура
в сушилке при сушке всех культур стабилизировалась до отметки 318 К (45º С),
что является оптимальным температурным режимом для сушки овощей.
Рисунок 5.12 – Баклажаны в сушильной камере
Рисунок 5.13 – Плоды болгарского перца в сушильной камере
133
Рисунок 5.14 – Плоды яблок в сушильной камере
На рисунке 5.15, 5.16 и 5.17 представлены кривые температуры и
влажности в камере сушилки при сушке яблок, болгарского перца и баклажан
Влажность, %
50
40
Температура
30
20
10
Влажность
0
0
50
100
150
200
Время,мин
Рисунок 5.15 – График температуры и влажности в камере при сушке
баклажан
Влажность %
50
40
Температура
30
20
Влажность
10
0
0
50
100
150
200
Время мин
Рисунок 5.16 – График температуры и влажности в камере при сушке
болгарского перца
134
Влажность %
50
40
Температура
30
20
10
Влажность
0
0
50
100
150
200
Время, мин
Рисунок 5.17 – График температуры и влажности в камере при сушке
яблок
График сушки яблок и баклажан показывает быстрый рост влажности в
начальный момент сушки чего нельзя сказать о графике при сушке болгарского
перца.
График показывает, что скорость удаления влаги трех культур при
одинаковой загрузке в 15 килограмм разная. Так для болгарского перца уже в
первые 20 минут сушки происходит интенсивное удавление влаги для яблок 30
минут и для баклажан через 35 минут после загрузки в гелиосушилку.
Этот момент можно объяснить значениями теплофизических свойств
продуктов сушки [120].
5.3.2 Выявление рациональных технологических режимов работы
предложенной сушилки
После проведения эксперимента были получены кривые потери массы в
зависимости от степени загруженности сушилки (рисунки 5.18, 5.19, 5.20).
600
500
Масса, г
400
300
200
100
0
0
50
100
-100
150
200
250
300
350
Время, мин
5 кг
10 кг
15 кг
Рисунок 5.18 - Продолжительность сушки болгарского перца в
зависимости от степени загрузки
135
600
500
Масса, г
400
300
200
100
0
0
50
100
150
200
250
300
350
Время, мин
5 кг
10 кг
15 кг
Рисунок 5.19 - Продолжительность сушки баклажан в зависимости от
степени загрузки
600
500
Масса, г
400
300
200
100
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Время, мин
5 кг
10 кг
15 кг
Рисунок 5.20 - Продолжительность сушки яблок в зависимости от степени
загрузки
Как видно из графиков, процесс сушки при загрузке 5 килограмм
протекает достаточно интенсивно с увеличением загрузки камеры до 15
килограмм процесс потери массы замедляется.
Обработанные сводные данные по сравнению используемых технологий
обработки продуктов сушки представлены в таблице 5.2.
136
Таблица 5.2 – Начальные условия эксперимента
Условия
Болгарский перец
Контрольная
масса, г
500
Конечная масса, г
Температура в
камере, К
Время сушки при
загрузки 10 кг, ч
Баклажаны
Яблоки
500
500
33
55
78
318
318
318
7,5
10
12
Полученные данные свидетельствуют о том, что для достижения
требуемой потери массы при температуре 318 К технологическому процессу с
использованием предлагаемой солнечной сушилки для каждой культуры
требуется разное время сушки, либо уменьшение степени загрузки камеры с 10
до 5 килограмм.
Данные технологические режимы сушки могут применяться при сушке
овощей и фруктов.
5.3.3 Исследование по оценке качества сушенных продуктов
Готовая продукция отбиралась [121, 122] и подвергалась химическому
анализу результаты которых показанные в таблицах 5.3 и 5.4.
Таблица 5.3 – Результаты химического анализа сырья до сушки
Культуры
Баклажан
Перец
Яблоки
Витамин
С, мг%
13,2
65,8
9,6
Сахара, Кислотность,
Сухие
Нитраты,
%
%
вещества, % мг/100г
3,36
0,30
7,50
28,980
3,48
0,42
6,68
40,805
17,0
0,57
13,46
14,302
Таблица 5.4 – Результаты химического анализа сырья после сушки
Культуры
Баклажан
Перец
Яблоки
Витамин
С, мг%
2,0
105,6
4,3
Сахара, Кислотность,
Сухие
Нитраты,
%
%
вещества, % мг/100г
12,2
0,15
90,5
185,4
12,4
0,58
93,2
236,3
59,6
0,48
86,4
89,6
Внешний вид готовой продукции почти сохранил первоначальный цвет а
также имел приятный запах (рисунок 5.21).
137
Рисунок 5.21 – Сушенный перец, яблоки, баклажаны
Как видно по содержанию витамина С перец многократно превышает
остальные культуры (яблоко и баклажан) как в свежем состоянии, так и в
сушеном виде. По содержанию сахара все представленные виды культур в
сухом виде содержат его больше чем в 3 раза, чем в свежем виде. Среди них
сушеное яблоко содержит в несколько раз больше сахара, чем остальные
продукты. Что касается кислотности, все 3 культуры имеют показатели ниже
чем 0,6% как и в свежем, так и в сухом виде. Сухие вещества в процентном
соотношении в порядке два раза содержатся в свежем яблоке, чем в других
культурах. Нитраты содержат больше в 2 раза свежий перец, чем другие
культуры, в сухом состоянии этот показатель возрастает почти до 10 раз
больше чем у остальных но при этом находится в пределах нормы.
5.4 Экономическая эффективность разработанной гелиосушилке
Расчет экономической эффективности применения предложенной
гелиосушилки проводился согласно установленной методике [123,124].
Э = [(Сб + Е × Кб ) − (Сн + Е × Кн )] × Ан ,
(5.4)
где Сб, Сн – прямые эксплуатационные затраты соответственно по базовому и
новому варианту, тенге/кг;
Кб, Кн – удельные (в расчете на единицу продукции) капиталовложения,
соответственно в базовом и новом варианте, тенге/кг;
Е – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений,
равный 0,15;
Ан – сезонное производство сушеных овощей и фруктов, кг/сез.
Считая, что в базовом и новом варианте для доставки сырья и в других
вспомогательных работах используются одни и те же оборудования,
рассматривается только процесс сушки овощей и фруктов.
138
Необходимые исходные данные для расчетов приняты по результатам
производственных испытаний и приведены в таблице 5.5.
Таблица 5.5– Исходные данные для расчета экономической эффективности
№
п/п
Условные
обозначения
по базовому и
новому
варианту
Показатели
1
Стоимость
тенге
2
Масса агрегата, кг
3
Норма амортизационных
отчислений, %
Норма
отчислений
на
текущий
ремонт
и
техобслуживания, %
Расход жидкого топлива,
т/час
4
5
оборудования,
6
Расход пара,т/час
7
Расход
электроэнергии,
кВт×час
Часовая
ставка
оплаты
рабочему, тенге
Часовая производительность
агрегата, кг/час
8
9
Варианты
Базовый
Новый
Бб, Бн
300000
500000
Мб, Мн
150
100
Ва
14,2
14,2
Втотр
12
12
–
–
–
–
–
–
–
–
Зп
250
250
Ач
0,5
1,0
–
10
Сменное время, час
𝜏см
8
8
11
Сезонное
производство
сушеных овощей и фруктов,
кг/сез.
Ан
50
90
Прямые эксплуатационные затраты и формулы их определения
представлены в таблице 5.6.
Удельные капитальные вложения по каждому оборудованию определялись
по формуле
Куд =
где
Б
Тз ×Ан
,
Тз – эксплуатационное время за сезон, час.
139
(5.5)
Таблица 5.6 – Прямые эксплуатационные затраты, тенге/ кг
№
п/п
1
2
3
Показатели
Амортизационные отчисления (на реновацию и капремонт)
Отчисление
на
текущий
ремонт
и
техническое
обслуживание
Заработная плата рабочего
Удельные затраты
по вариантам
Базовый Новый
Формулы для
расчета
0,852
0,788
В0 =
Б×а
100 × Ан
0,72
0,66
В1 =
Б × Втотр
100 × Ан
1800
1000
З0п =
45×Зп ×𝜏см
Ан
Прямые эксплуатационные
1801,5
1001,4
С=В0+В1+Зп
затраты по вариантам
Примечание: в таблице не представлены затраты от электрической энергии и
сжигания топлива, так как в гелио сушилке не используются такие виды
теплоносители.
4
Согласно уравнения (5.4) и по данным таблицы 5.6
экономический эффект от использования разработки составляет
сезонный
Э = ((1801,5+0,15х16,6) − (1001,4 + 0,15х15,4))90 = 73 308 тенге.
Таким образом, расчеты сравнительной экономической эффективности
использования в производстве сушеных овощей и фруктов на установке
гелиосушилки показали, что применение гелиосушилки является эффективнее,
поскольку она наиболее экономична с точки зрения производственной площади
размещения сушилки, низкой металлоемкости, затраты энергии [125]. Следует
отметить, что внедрение гелиосушилки способствует улучшению санитарного
состояния и качества готовой продукции и затраты теплоносителей полностью
отсутствуют.
Выводы по 5 разделу
1.
Конструкция предлагаемой солнечной
сушилки продуктов
растительного происхождения показала свою работоспособность, надежность и
возможност получения качественного конечного продукта.
2. Основные технико – эксплуатационные показатели предлагаемой
солнечной сушилки соответсвуют расчетным и ничем не уступают по
техническим характеристикам по отношению к существующим солнечным
сушилкам.
3. Предложенная схема солнечной сушилки, ее конструктивная схема,
рациональная форма камеры сушки и рациональный технологический режим
сушки позволил при загрузке 10 киллограмм сырья, температуре 318 К
позволила получить суммарную энергоемкость 2,1 кВт·ч/кг.
140
4. Применение дополнительных воздухонагревателей позволило
обеспечить одновременный нагрев как передней так и задней камеры сушилки
(рисунки 4.23, 4.24, 4.25). В свою очередь сокращает процесс сушки в 1,5 раза,
так как отпадает необходимость перемешивания и премешения продуктов
сушки от менее нагретого участка более нагретому.
5. Качественные показатели готовых сушеных продуктов полученных в
предложенной
сушилке
шахтного
типа
с
дополнительтными
воздухонагревателями после проведения химического анализа находятся в
пределах нормы.
141
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В производстве сушеных фруктов и овощей применяются очень
дорогостоящие, энергоемкие оборудования. Наиболее рациональный способ
обработки для этих целей – использование солнечных сушильных устройств
которые позволяют сократить затраты производства и улучшить качество
продукта. По результатам исследования были сделаны следующие выводы:
1. Применение солнечной энергии для сушки фруктов и овощей,
приемлемыми являются широты расположения Алматинской области имеющие
среднегодовую мощность солнечного излучения порядка 5,8 кВт за световой
день. Это позволяет с 1 м2 площади солнечного коллектора получить от 1,5 до
3,5 кВт·ч энергии за сутки.
2. Установлены зависимость физико-механических и теплофизических
свойств плодов фруктов и овощей от температуры, давления и скорости
перемещения. Значения углов и коэффициентов трения составили для преца 21°, для баклажан - 22°, для яблок - 24°, для дыни - 27°. Которые позволили
определить угол установки стеллажей в камере сушилки. Коэффициенты
трения зависят от приложенного нормального давления (от 561,8 до 955,0 Па),
влажности и скорости трения. В пределах давления от 550 до 950 Па, если для
дыни, яблока и перца изменение коэффициента трения наблюдалось от 0,05 до
0,13, то для баклажана от 0,12 до 0,25.
3.Статические и динамические коэффициенты трения (как внешние, так
внутренние) уменьшается при повышении нормального давления, и скорости
трения. Установленные зависимости коэффициентов трения для всех
исследуемых материалов составило от 0,1 до 0,25. Значения этих
коэффициентов позволяет дать рекомендацию по скорости движения лотков
при загрузке стеллажей в камеру а также при их сборке.
4. Исследование теплофизических свойств материалов (перца, баклажан,
яблок, дыни) показали пределы изменения этих констант что позволяет
использовать температурные режимы гелиосушилки и их значения произвести
расчет теплообмена. Полученные значения этих констант подсчитываются
общей закономерностью (2.13).
С увеличением влажности от 86,5% до 96,5% при температуре 305 К
коэффициенты температуропроводности а, теплоемкости  , теплопроводности
с, для всех материалов подвергаемых исследованию находятся в пределах:
а - от 1·10-6
до 15·10-6 м2/с;
 - от 0,4
до 0,7
Вт /(м·К)
с - от 3800
до 3920
Дж/(кг·К)
С увеличением температуры от 320 К до 370 К при влажности 89 – 96 %
указанные теплофизические константы также возрастают:
а - от 79·10-5
до 87·10-5 м2/с;
 - от 4060
до 4150
Вт /(м·К)
с - от 0,55
до 0,75
Дж/(кг·К)
По структурному составу продукты растительного происхождения
относится к капилярно-пористым материалам, поэтому на изменение плотности
142
влияет влажность. С уменьшением влажности до исходной 86,3…89,0%
наблюдается уменьшение плотности. Наименьшие значения плотности
достигаются при меньших значениях влажности (в пределах).
5. Проведенный вычеслительный эксперимент для туннельной камеры
гелиосушилки. Установлено, что при естественной вытяжки воздуха
сопротивление камеры увеличивается и нижние слои полученных изолинии
показывали пассивность зону теплообмена.
6. Предложена принципиально новая солнечная сушильная установка
шахтного типа (патент РК 28243). Обоснованы конструктивные параметры
предлагаемой сушильной установки путем решения уравнения Навье - Стокса с
соответствующими граничными увсловиями камеры сушилки. Путем
компьютерного моделирования получены изотермические линии давления и
скорости потока сушильного агента внутри камеры. Полученные изолинии
позволили определить пассивные зоны камеры где происходит наименьший
теплообмен. Размеры сушилки обоснованы путем использования уравнений
(3.67, 3.69, 3.72, 3.75, 3.76).
7. Применение дополнительных изолированных гелиоколлекторов с
подсоединением их к боковой части корпуса гелиосушилки обеспечило
равномерный нагрев камеры и сокрашение пассивых зон на 15 % по сравнению
без дополнительных коллекторов при сушке продуктов растительного
происхождения.
8. Установлена закономерность зависимости изменения влажности
материала в виде математической модели с помощью многофакторного
эксперимента на лабораторной установке в процессе термообработки.
Полученная математическая модель представляет собой функцию регрессии
зависящей
от размеров материала подвергаемой к термообработке,
температуры сушки и продолжительности нахождения в камере обработки.
9. Из анализа динамики сушки плодов и овощей в зависимости от способа
и толщины нарезки установлено, что наиболее оптимальным по динамике и по
продолжительности сушки в Алматинской области в летний период с начала
июля до конца августа являются яблоки нарезанные дольками толщиной 10 мм,
баклажаны нарезанные дольками толщиной 5 мм, перец болгарский нарезанный
полосками шириной 10 мм и квадратиками 20 х 20 мм.
10. В результате испытания установлена производительность солнечной
сушилки. Камера сушилки имеющая высоту 1,5 м, ширину 1,5 м и глубину 1 м
обеспечивает производительность 1,06 кг/ч. Энергоемкость сушилки составляет
2, 1 кВт·ч/кг.
143
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Концепция по переходу Республики Казахстан к «Зеленой экономики»:
утв. Указом Президента Республики Казахстан № 577 от 30 мая 2013 года.
2 Курмангалиев С. Г., Искендирова Г. К., Биотехнология - одно из
основных производств в решении обеспечения населения продовольственной
продукцией //Стратегия развития пищевой и легкой промышленности: матер.
Междунар. науч.-практ. конф. – Алматы, 2004.- С. 188-190.
3 Тажибаев Т.С. Жемістер мен көкөністерді сақтау және өңдеу
технологиясы: жоғары оқу орындарына арналған оқулық. –Алматы, 2010. -281б.
4 Исмаилова A.A. Возможности использования солнечной энергии для
сушки фруктов и овощей // Использование солнечной энергии. М.: АН СССР,
1957. - С.232-247.
5 Концепции развития топливно-энергетического комплекса Республики
Казахстан до 2030 года: утв. Постановлением Правительства Республики
Казахстан от 28 июня 2014 года, № 724.
6 Жапаров К. Ж., Чашин В. К. Продовольственная безопасность
республики Казахстан // Пищевая промышленность. - 2004. - С. 56-57.
7 Апсалямов Н. Тенденции развития пищевой промышленности в Республике
Казахстан // Транзитная экономика.- 2004.- № 5 (44). С. 39-46.
8 Кайгородцев А. А. Развитие пищевой промышленности Казахстана на
принципах маркетинга //Аль-Пари.-2004. -№ 1. - С. 111-113.
9 Алшанов Р.А. Казахстан на мировом рынке. Потенциал, проблемы и их
решения. – Алматы: Атамура, 2010. – С. 125.
10 Комплекс мер по устойчивому развитию агропромышленного
комплекса Республики Казахстан на 2009-2011 годы: утв. Постановлением
Правительства Республики Казахстан от 29 ноября 2008 года, № 1106.
11 Тлепаев А., Мусабекова А., Аюпов А. Анализ растениеводства
РК//Рейтинговое агентство РФЦА. – Алматы, 2010. – С.26.
12 Тлепаев А.М., Мусабекова А., Аюпов А. Анализ растениеводства РК//
Рейтинговое агентство РФЦА. – Алматы, 2010. – С.29.
13 Грачева А.Ю. Разработка технологии консервирования плодоовощного
сырья с применением консервантов нового поколения на натуральной основе:
автореф. ... канд. техн. наук: 05.18.01.- М., 2013.-25 с.
14Житникова В. С. Технология консервирования овощных конфитюров с
активированным пектином: дис. ... канд. тех. наук: 05.18.13.- Орел, 2000.-235 с.
15 Назарова А. И. Технология плодоовощных консервов. — М.: Легкая и
пищевая промышленность, 1981. — 239 с.
16 Министерство экономического развития и торговли российской
федерации. Об итогах социально-экономического развития российской
федерации за 2006 год. – М, 2007. - С.67.
17 Плотникова Т.В., Позняковский В.М., Ларина Т.В., Елисеева Л.Г.
Экспертиза свежих плодов и овощей: учебно-справочное пособие. Новосибирск: Сибирский университет, 2001. - 302 с.
144
18 Кэмпбелл К., Кэмпбелл Т. Результаты самого масштабного
исследования связи питания и здоровья/пер. с англ.; В. Уразаевой. — М.:
Китайское исследование, 2013. — 528 с.
19 Киселева Т.Ф. Технология сушки: учебно-методический комплекс. Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. Кемерово, 2007.-117 с.
20 Цапалова И.Э., Маюрникова В.М., Позняковский В.М., Экспертиза
продуктов переработки плодов и овощей: учебно-справочное пособие / 2-е изд.,
испр. и доп. - Новосибирск: Сибирский университет, 2007. –285 с.
21
Киселева
Т.Ф.
Технология
сушки//Учебно-методический
комплекс/Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. 2007. – С.117.
22 Капарлова Н.Г. Конструкция экспериментальной сушилки с
инфракрасным излучением//Технология и продукты здорового питания.Саратов, 2010.-С.71.
23 Малышкина В.А., Зинюхин Г.Б., Пищухин ГБ. Анализ процесса сушки
макаронных изделий в инфракрасных сушилках // Вестник Оренбургского
государственного университета. – 2004. - № 4. – С.135.
24 Чернобыльский И.И. Машины и аппараты химических производств//
Машиностроение. – М., 1975. – С. 284.
25 Бурдо О.Г., Терзиев С.Г., Яровой И.И. Электромагнитные технологии
обезвоживания сырья // Проблемы региональной энергетики.-2012.-№ 1. – С.78.
26 Семенов Г.В., Касьянов Г.И. Сушка сырья: мясо, рыба, овощи, фрукты,
молоко: учебно-практическое пособие. Технологии пищевых производств. —
Ростов на Дону: Изд. центр "МарТ", 2002. — 112с.
27 Жилин А.А., Федоров А.В., Коробейников Ю.Г., Фомин В.М.
Математическое моделирование механизма акустической сушки пористых
материалов//Прикладная механика и техническая физика.-2003. - Т. 44, № 5.–
С.102.
28 Пат. 2216699 Российская Федерация. Гелиосушилка для сушки фруктов
и овощей/ Б.Д. Бабаев., В.Н.Данилин., – опубл. 22.05. 2001.
29 Романков П.Г., Курочкин М.И. Процессы и аппараты химической
промышленности. – Л.: Химия, 1989. -560 с.
30 Силич А.А., Зазулевич Б.В., Поповский В.Г. Техника и технология
сушки фруктов в туннельных сушилках// Обзор. – М.:ЦНИИТЭИ пищепром,
1975. – С.55.
31 Силич А.А., Николаева Д.А., Смольянников В.С. Технология
производства фруктовых десертов в полимерной таре // Новые методы
технологии и контроля консервного и винодельческого производства. –
Кишинев, 1972. - С.49-58.
32 Силич А.А., Николаева Д.А., Урсу В.А. Технология сушки винограда в
туннельных сушилках // Консервная и овощесушильная промышленность. –
1976. - №3. - С.19-22.
33 Артыков С. Исследование технологии гелиосушки табака в условиях
Средней Азии: автореф. ... канд. техн. наук. –Краснодар, 1982. -20 с.
145
34 Волков Д.В. Гелиосушилка и применение ее для замаривания и сушки
коконов. – Ташкент, 1987. -18с.
35 Исмаилова А.А. Возможность использования сочетания солнечной
энергии для сушки овощей и фруктов // Использование солнечной энергии. -М.:
АН СССР, 1957. – С. 232-247.
36 Бабаев Б.Д., Волшаник В.В. Исследование процессов сушки материалов
в гелиосушилке для фруктов и овощей // Международный техникоэкономический журнал. -2012. -№2. -С. 76-83.
37 Омаров Ш.К., Сортовые, агроэкологические и технологические
особенности сушки винограда в Дагестане с использованием гелиосушилок
:дис.…канд. с.-х. наук: 06.01.07. – Махачкала, 2004.-180.с.
38 Умаров Г.Я., Авезов Р.Р., Ахмадалиев А.А. Некоторые сравнительные
технико-экономические показатели солнечной фруктосушильной установки //
Гелиотехника. - 1974. -№5. - С.59-61.
39 Петухов Б.В. Солнечная энергия и возможность ее использования. –М.:
Знание, 1952. -23 с.
40 Пат. 2085084. Способ сушки высоковлажных материалов и устройство
для его осуществления/ Н.К. Клямкин., А.А. Константинов.; Н.Б. Соловьев.,
опубл. 27.07.1997.
41 Петухов Б.В. Метод расчета солнечных водонагревателей //
Использование солнечной энергии.- М.: АН СССР, 1957. - № 1.- С.177-201.
42 Исаченко В.П., Осипов В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. - М.: Энергия,
1975. - 486с.
43 Akkurf M., Selkuk H.M., Akkurt S.A. Continnons Solar Drier. // Bull
Mediter Energy Solare. - 1972. – Р. 23.
44 Bahrus D. Solar drian drying // Crops and soils. - 1972. -№4(30). - P.14-15.
45 Lowand T.A. Solar catined drues // Solar energy. -1976. - №4. -P.32-36.
46 Muhhlbaner W. Gerteide und Maistocknung mit Sonnennergie // Agrartech.
Internat. - 1977. - № 5(57). -S.58-60.
47 Raisin reincoats beat the heet // merican fruet Grower.-1985. - №5.-P.22-32.
48 Pat. 4 157 620 USA. Jonafhat fruit .-1979.
49 Niles P.W., Carnegie E.J., Pohl J.G., Cherne J.M. Design and performance of
an aircollector for indusrial croop dehydration // Solar energy. – 1978. - №1(20). P.19-23.
50 Gost P.R. In Mand book of biophysics // Solar radiation. -1971. -P.14-30.
51 Умаров Г.Г., Мирзияев Ш.М., Юсупбеков О.Н. Гелиосушка
сельхозпродуктов. – Ташкент: Фан, 1995. -152с.
52 Харченко Н.В. Индивидуальные сушильные установки. – М.:
Энергоатомиздат, 1991. – 208 с.
53 Заявка на пат. № 2010135619/13. Гелиосушилка / Емельянов С.Г.,
Кобелев Н.С. 25.08.2010.
54 Пат. № 28243 Республика Казахстан, Гелиосушилка / Хазимов М.Ж.,
Тажибаев Т.Т., Бора С. Г. и др.; заявитель и патентообладатель Казахский
национальный аграрный университет. - №2013/0756.1; заяв.05.06.13; опубл.
19.02.2014.- 7с.
146
55 Ребиндер, П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. - М.:
Наука, 1979. - 384 с.
56 Лыков А.В., Михайлов Ю.А. Теория тепло-массопереноса. – М.- Л.:
Госэнергоиздат, 1963.- 535 с.
57 Лыков А.В. Явления переноса в капиллярно-пористыхтелах.-М.:
Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1954.-298 с.
58 Гинзбург А.С. Сушка пищевых продуктов. - М.: Пищепромиздат, 1960.683 с.
59 Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композитных
материалов.- Ленинград: Энергия, 1974.- 264 с.
60 Гамаютов Н.М. Структурообразование в дисперсных материалах при
различных режимах тепломассопереноса // В кн.: Тепломассопереносы. –
Минск: АН БССР, 1972. -.6 с.
61 Дорняк О.Р. Тепломассоперенос в ненасыщенных коллоидных
капиллярно-пористых анизотропных материалах: дис. …док. техн. наук:
01.04.14.- Воронеж, 2006. – 340 с.
62 Стабников В.Н., Баранцев В.И. Процессы и аппараты пищевых
производств / 3–е изд., перераб. и доп.– М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1983. 328 с.
63 Некрашевич В.Ф. Экспериментально-теоретическое исследование
рабочего процесса пресса-гранулятора травяной муки: дис. …канд.тех.наук. Ленинград. - Пушкин, 1969. -187 с.
64 Хазимов М.Ж. Интенсивная технология приготовления мясокостной
муки в циклонной установке с обогреваемой стенкой: дис. …к.т.н. - Алма-Ата,
1987.-194 с.
65 Шаймарданов Б.П. Технологические основы и обоснование средств и
параметров средств механизации безотходной переработки плодов дыни: дис.
…док. тех. наук. – Янгиюль, 2000. – 31с.
66 Гинзбург А.С. Технология сушки пищевых продуктов.- М.: Пищевая
промышленность, 1976.-247с.
67 ГОСТ 13496.3-80. Методы определения влажности. - М.: Издательство
стандартов, 1980.- 3 с.
68 Пустыльник Е.И. Статистические методы анализа и обработки
наблюдений.- М.: Наука, 1968.- 288 с.
69 Ултанова И.Б., Шамуратов Д., Хазимов К.М. Исследования
коэффициента трения мякоти плодов дыни // Исследования, результаты. –
Алматы, 2013. - № 4(60). – С.181-187.
70 ГОСТ 7076-99. Метод определения теплопроводности и термического
сопротивления при стационарном тепловом режиме: с 1 апреля 2000 года в
качестве государственного стандарта РФ постановлением Госстроя России от
24 декабря 1999 г. № 89
71 Кондратьев Г.М. Регулярный тепловой режим .- М.: Гостехиздат, 1954. –
408 с.
72 Кондратьев Г.М. Тепловые изменения .- М.- Л.: Машгиз, 1957. –244 с.
147
73 Гинзбург А.С., Громов М.А. Теплофизические характеристики
картофеля, овощей и плодов. –М.: Агропромиздат, 1987. -272с.
74 Гинзбург А.С., Громов М.А. Теплофизические характеристики пищевых
продуктов.-М.:Пищевая промышленность, 1980.-288 с.
75 Определение теплофизических характеристик мякоти плодов дыни //
пищевая технология и сервис.- Алматы, 2010. - № 2. – С.71-78.
76 Khazimov Z.M., Bora G.C., Khazimov K.M., Khazimov M.Z. Modeling of
the motion of free convective drying agent in plastic helio dryer // Journal of
Engineering Thermophysics.-2014. – V.23, Iss 4.- P.306-315.
77 Перегудов В.В.Тепловые процессы и установки технологии полимерных
строительных материалов и изделий. –М: Высшая школа, 1973-295 с.
78 Гинзбург А.С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов. –
М.: Пишевая промышленность, 1973.- 538 с.
79 Хазимов М.Ж. Интенсивная технология приготовления мясокостной
муки в циклонной установке с обогреваемой стенкой: автореф. ... канд.
техн.наук:05.20.01.- Рязань: 1987.-21 с.
80 Лыков А., Теория сушки: учебное пособие. — 2-е изд. перераб. и доп. –
М.: Энергия, 1968. – 472 с.
81 Лебедев П.Д. Расчет и проектирование сушильных установок: учеб. для
высш. техн. учеб. заведений. – М. – Л., Госэнергоиздат, 1962. – 320 с.
82 Хазимов К.М., Хазимов Ж.М., Хазимов М.Ж., Курпенов Б.К. Тепловой
баланс в вертикальной гелиосушилке при сушке плодов фруктов и овощей //
Известия НАН РК.- Алматы, 2015. - № 3(27). – С.30-34.
83 Драганов Б.Х., Кузнецов А.В. Теплотехника и применение теплоты в
сельском хозяйстве. –М., 1990. – 462 с.
84 Tiwari. G.N. Solar energy. Fundamentals, Design, Modelling and
Applications. – India: Alpha science, 2008.-524 p.
85 Khazimov K.M., Bora G.C., Urmashev B.A. Computation of optimal
structural and Technical parameters of solar dryer//IJEIT –India, 2014. – P. 258- 268.
86 Полежаев В.И., Грязнов В.Л. Метод расчёта граничных условий для
уравнений Навье-Стокса в переменных вихрь, функция тока. // ДАН. СССР. –
1974. – №2(219). – С. 301-304.
87 Тарунин Е.Л. О выборе аппроксимационной формулы для вихря
скорости на твёрдой границе при решении задач динамики вязкой жидкости //
Численные методы механики сплошной среды.-Новосибирск, 1979. - №7(9).-С.
97-113.
88 Тарунин Е.Л. Вычислительный эксперимент в задачах свободной
конвекции. - Иркутск: Изд-во Иркутского университета, 1990. – 228 с.
89 Роуч П. Вычислительная гидродинамика. -М.: Мир, 1980. – 616с.
90 Келкар К.М., Патанкар С. Численный расчёт течения и теплоотдача в
канале между паралельными пластинами с попеременным оребрением
противоположных пластин//Теплопередача. -1981. -№1. - С. 24-30.
91 Урмашев Б., Данаев Н. О сходимости итерационных процессов для
решения сеточных уравнений Навье-Стокса//Поиск. -Алматы, 2000. -№3.C.174-181.
148
92 Урмашев Б.А. Численное решение одной задачи тепловой конвекции //
Вестник КазГУ. - 2000. -№1(20). -C.162-170.
93 Урмашев Б., Данаев Н. Численное решение задачи тепловой конвекции
с незаданным расходом // Поиск. -2000, -№5.
94 Данаев Н.Т., Урмашев Б.А. Итерационные схемы для решения
вспомогательных сеточных уравнений Навье-Стокса. // Вестник КазГУ. -2000. №4(23). -C.74-78.
95 Urmashev B.A., Danaev N.T., Darybaev B.S. On a Problem of Thermal
Convection with Unset Flow Rate // IECMSA-2012: 1st International Eurasian
Conference on Mathematical Sciences and Applications., Prishtine. -Kosovo, 2012. P.309.
96 Болекбаева А.Б., Закариянова Н.Б. Численное решение уравнений
Навье-Стокса для несжимаемой вязкой жидкости в переменных «Скоростьдавление» в двухмерном пространстве // Международная конференция
студентов и молодых ученых «Мир науки»: матер. 14-ой науч. студ. конф. –
Алматы, 2013.- C.13.
97 Урмашев Б.А., Данаев Н.Т., Алимжанов Е.С. Численное решение
уравнений Навье-Стокса для несжимаемой вязкой жидкости в переменных
„Скорость-давление“
в
трехмерном
пространстве
//Международная
конференция Вычислительные и информационные технологии в науке, технике
и образовании . - Усть-Каменогорск, 2013.- C. 20.
98 Участкин П.В. Вентиляция и кондиционирование воздуха и отопления
на предприятиях легкой промышленности: учебное пособие для студентов
высш.техн.заведений.- М.: Легкая индустрия, 1980 -243 с.
99 Нестеренко А. В. Основы термодинамических расчетов вентиляции и
кондиционирования воздуха: учеб. пособие/под ред. А. В. Нестеренко. -изд. и
доп. – М.: Высшая школа, 1971. –176с.
100 Колярыч М. Методы определения чувствительности расхода воздуха
на изменение сопротивления ветвей в шахтной вентиляционной системе
//Горный информационно-аналитический бюллетень.- 2002. - № 7.– С.1.
101 ГОСТ Р ЕН 29053-2008. Методы определения сопротивления
продуванию потоком воздуха. - М.:. Стандартинформ , 2008. – C.3.
102 А.с. 49778. Солнечная сушильная установка / М.Ж. Хазимов, А.К.
Ниязбаев, С.Б Бекбосынов.- заявл.33.10. 04.14777.1
103 Пат. 30006 Республика Казахстан. Гелиосушилка / М.Ж. Хазимов.,
К.М. Хазимов. заявитель и патентообладатель: Казахский нциональный
аграрный университет. - № 2014/0412.1 ; опубл. 19.05.15. – 5 с.
104 Бурцев С. А., Фатыхов Т. Ф. Экспериментальный стенд сушки
растительного сырья вакуумно-импульсным методом // Вестник Казанского
технологического Университета, 2011.- С. 126-128.
105 Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа: учеб. для вузов. - 7-е изд.,
испр. – М.: Дрофа, 2003. - 840 c.
106 Лыков А.В., Леончик Б.И.
Распылительные сушилки. - М.:
Машиностроение, 1973г. – 295 с.
107 Khazimov K.M. Selection of the polyethylene type as the screen in the solar
149
dryer for drying vegetables // European Applied Sciences: modern approaches in
scientific researches.– 2014. – P. 61-68.
108 Ниязбаев А.К., Хазимов К.М., Хазимов М.Ж. Тепловой баланс при
сушке мякоти плодов дыни в гелиосушилке // Поиск. - 2010. – С.284 - 287.
109 Постановление Государственного комитета СССР по стандартам.
ГОСТ 12.3.018 – 79 Системы вентиляционные методы аэродинамических
испытаний № 3341 : утв. 5 сентября 1979 г.
110 Преображениский В.П. Теплотехнические измерения и приборы:
учебник для вузов. – М.: Энергия, 1978.-704 с.
111 Айвозян С.А. Прикладная статистика. Основы моделирования и
первичная обработка опытных данных.– М.: Финансы и статистика, 1983.–471с.
112 Данилина Н.И. Численные методы. – М., 1976. – 327 с.
113 Хазимов М.Ж., Хазимов Ж.М., Сагындыкова А.Д. Влияние
технологических параметров на процесс сушки и качественные показатели
продукта // Матер. междунар. науч. прак. конф. «От теории к практике».Новосибирск: Сиб АК, 2015.- № 1 (38).- С. 88-95.
114ГОСТ 10856-96. Метод определения влажности. – М., 1996.-17с.
115 ГОСТ 2.105-95. Единая система конструкторской документации. –М.,
Издательство стандартов, 1995.-165 с
116 Тику Ш. Эффективная работа: AutoCAD 2004.–СПб.,Питер,2004.-104 с.
117 ГОСТ Р 52622-2006. Овощи сушеные/Общие технические условия. -М.:
Стандартинформ, 2007. — 11 с.
118 ГОСТ 28561-90. Продукты переработки плодов и овощей / Методы
определения сухих веществ и влаги. - М.: Изд-во стандартов, 1990. - 78 с.
119 ГОСТ Р 29270-95. Продукты переработки плодов и овощей / Методы
определения нитратов. - М.: Изд.во стандартов, 2010. – 218 с.
120 Ultanova I., Khazimov K., Khazimov М. Determination of thermal
performance the fruits pulp of melons // Agroinžinerija ir energetika.-Литва, 2014.№ 19. – P. 121-128
121 ГОСТ 1750-86. Фрукты сушеные. Правила приемки, методы отбора
проб и испытаний: утв. и введен в действие пост. гос. ком. СССР по стандартам
от 17.01.86 № 133.
122 ГОСТ 13341.1-77. Овощи сушеные. Правила приемки, методы отбора и
подготовки проб: с поправками и изменениями.-изм. № 2 к ГОСТ 13342-77 от
01.01.1989.
123 Методика определения экономической эффективности использования
в народном хозяйстве новой техники, изобретений и рационализаторских
предложений.-М.: Экономика, 1988.-54с.
124
Методические
указания
по
определению
экономической
эффективности унификации машин дляживотноводства и кормопроизводства.
МУ-105-0-023-77.-Киев: 1977.-50 с.
125 Хазимов М.Ж., Хазимов Ж.М., Ултанова И.Б., Сагындыкова А.Д.
Обоснование эффективности применения гелиосушилки шахтного типа при
сушке фруктов и овощей // Матер. междунар. науч. прак. конф. «Current issues
and the development of science and education». – Вествуд, 2015. – С. 6-12.
150
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Инновационные патенты
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
Шаровой бикалориметр
164
165
ПРИЛОЖЕНИЕ В
Описание интерфейса и текста программы
Для получения численных результатов, характеризующих течение вязкой
несжимаемой жидкости в области со сложной геометрией, создан пакет
прикладных программ на всем известном языке программирования Фортран.
Данный язык позволяет получить наиболее точные результаты, особенно в
области численных методов.Для удобства создан пользовательский интерфейс
(Delphi 7), который облегчает использование пакета программ. В общих словах
расскажем, как работает данное программное обеспечение.
При запуске программы появляется главное окно программы (Рисунок
В.1).
Рисунок В.1 - Главное окно программы
Численные результаты значений скорости (горизонтальной составляющей)
(Рисунок В.2).
Рисунок В.2 - Результаты подсчета программы
166
Текст программы
dimension u(41,21),v(41,21),w(41,21),w1(41,21),w2(41,21),
*p(41,21),p1(41,21),pk(41,21),alf(41),bt(41),fp(41)
open(60,file='psy.dat')
open(61,file='u.dat')
open(62,file='v.dat')
pi=3.14
alfa=pi/6
beta=pi/4
x1=1
x2=2
wt=1.72
eps=0.001
eps1=0.0001
n1=41
n2=21
n12=n1-1
n22=n2-1
dl1=2.3
dl2=0.3
re=100.
y3=dl1*tan(beta)+(x1*tan(alfa)-x2*tan(beta))
y4=dl1*tan(beta)+(x1*tan(alfa)+dl2-x2*tan(beta))
h1=dl1/n12
h2=dl2/n22
t=0.001
th1=0.5*t/h1
th2=0.5*t/h2
tr1=t/(re*h1**2)
tr2=t/(re*h2**2)
do 1 i=1,n1
do 1 j=1,n2
u(i,j)=100*(j-1)*h2*(dl2-(j-1)*h2)
1 v(i,j)=0
do 2 j=1,n2
y=y3+(j-1)*h2
p1(1,j)=100*(dl2*((j-1)*h2)**2/2*((j-1)*h2)**3/3)
w2(1,j)=100*(dl2-2*(j-1)*h2)
p1(n1,j)=100*(-y**3/3.+
*(y3+y4)*y**2/2.-y3*y4*y)
p1(n1,j)=p1(n1,j)-100.*(-y3**3/3.+(y4+y3)*y3**2/2.*y3**2*y4)
w2(n1,j)=100*(-2*y+y3+y4)
u(n1,j)=100*(-y**2+(y3+y4)*y-y3*y4)
2 continue
write(59,20)(p1(n1,j),j=1,n2)
do 3 i=1,n12
p1(i,1)=0
w2(i,1)=2*(p1(i,2)-p1(i,1))/h2**2
p1(i,n2)=50*dl2**3/3
w2(i,n2)=-2*(p1(i,n2)-p1(i,n22))/h2**2
3 continue
m=490
mp=500
n=0
4 n=n+1
if (n.gt.m) go to 18
do 400 i=1, n1
xx=(i-1)*h1
if (xx.lt.x1.and.xx.ge.0) fp(i)=tan(alfa)
if (xx.lt.x2.and.xx.ge.x1) fp(i)=0
167
if (xx.le.dl1.and.xx.ge.x2) fp(i)=tan(beta)
400 continue
do 5 i=1,n1
do 5 j=1,n2
p(i,j)=p1(i,j)
w1(i,j)=w2(i,j)
5 w(i,j)=w2(i,j)
do 6 j=2, n22
j1=j+1
j2=j-1
alf(2)=0.
bt(2)=w(1,j)
do 7 i=2,n12
i1=i+1
i2=i-1
a=th1*(u(i,j)-abs(u(i,j)))-tr1
b=-th1*(u(i,j)+abs(u(i,j)))-tr1
c=-1+a+b
f=w(i,j)+tr2*(w(i,j1)-2*w(i,j)+w(i,j2))
f=f-th2*((v(i,j)+abs(v(i,j)))*(w(i,j)-w(i,j2))+
*(v(i,j)-abs(v(i,j)))*(w(i,j1)-w(i,j)))*(t*2*fp(i)/(re*h1))*(w(i1,j1)-w(i1,j)-w(i,j1)+w(i,j))/h2
alf(i1)=a/(c-b*alf(i))
bt(i1)=(b*bt(i)-f)/(c-b*alf(i))
7 continue
w1(n1,j)=100*(-2*(j-1)*h2+y3+y4)
do 8 i=1,n12
k=n1-i
w1(k,j)=alf(k+1)*w1(k+1,j)+bt(k+1)
8 continue
6 continue
do 9 i=2,n12
i1=i+1
i2=i-1
alf(2)=0.
bt(2)=0
do 10 j=2,n22
j1=j+1
j2=j-1
a=th2*(v(i,j)-abs(v(i,j)))-tr2*(1+(fp(i)**2))
b=-th2*(v(i,j)+abs(v(i,j)))-tr2*(1+(fp(i)**2))
c=-1+a+b
f=w1(i,j)+tr1*(w1(i1,j)-2*w1(i,j)+w1(i2,j))
f=f-th1*((u(i,j)+abs(u(i,j)))*(w1(i,j)-w1(i2,j))+
*(u(i,j)-abs(u(i,j)))*(w1(i1,j)-w1(i,j)))*(t*2*fp(i)/(re*h1))*(w1(i1,j1)-w1(i1,j)-w1(i,j1)+w1(i,j))/h2
alf(j1)=a/(c-b*alf(j))
bt(j1)=(b*bt(j)-f)/(c-b*alf(j))
10 continue
w2(i,n2)=-2*(p(i,n2)-p(i,n22))/h2**2
do 11 j=1,n22
k=n2-j
w2(i,k)=alf(k+1)*w2(i,k+1)+bt(k+1)
11 continue
9 continue
kp=0
12 kp=kp+1
if (kp.gt.mp) go to 33
do 13 i=1,n1
do 13 j=1,n2
13 pk(i,j)=p1(i,j)
do 14 i=2,n12
i1=i+1
i2=i-1
168
do 14 j=2,n22
j1=j+1
j2=j-1
d=2/(h1**2)+2*fp(i)/(h1*h2)+2*(1+fp(i)**2)/(h2**2)
p1(i,j)=(1-wt)*pk(i,j)+wt*((p1(i2,j)+pk(i1,j))/h1**2+
*(1+fp(i)**2)*(p1(i,j2)+pk(i,j1))/h2**2*2*fp(i)/h1*(pk(i1,j1)-pk(i1,j)-pk(i,j1))/h2-w2(i,j))/d
14 continue
horp=0
do 15 i=1,n1
do 15 j=1,n2
ps=abs(p1(i,j)-pk(i,j))
if(ps.gt.horp) horp=ps
15 continue
if (horp.gt.eps1) goto 12
33 do 16 i=2,n12
i1=i+1
i2=i-1
do 16 j=2,n22
j1=j+1
j2=j-1
u(i,j)=0.5*(p1(i,j1)-p1(i,j2))/h2
v(i,j)=-0.5*(p1(i1,j)-p1(i2,j))/h1+
*fp(i)*0.5*(p1(i,j1)-p1(i,j2))/h2
16 continue
hor=0
do 17 i=1,n1
do 17 j=1,n2
ps=abs(w2(i,j)-w(i,j))
if(ps.gt.hor) hor=ps
17 continue
print 333,n,hor,kp,horp
if (hor.gt.eps) go to 4
18 write(60,20)((p1(i,j),i=1,21),j=1,n2)
write(60,25)((p1(i,j),i=22,n1),j=1,n2)
write(61,20)((u(i,j),i=1,21),j=1,n2)
write(61,25)((u(i,j),i=22,n1),j=1,n2)
write(62,20)((v(i,j),i=1,21),j=1,n2)
write(62,25)((v(i,j),i=22,n1),j=1,n2)
20 format(21f8.4)
25 format(20f8.4)
333 format(i5,f15.8,i5,f15.8)
stop
end
169
ПРИЛОЖЕНИЕ Г
Текст программы расчета агента
programTuvp
integer, parameter :: n1=100, k1=60, n2=200, k2=60
real(8), parameter :: t=0.001, t0=0.5, p0=1.0, dp=1.0
real(8), parameter :: eps=0.0001, epn=0.0001, epm=0.00001
real(8), parameter :: d1=0.5, d2=1.0, si=2.5, re=600.0, G=50000.0, Pr=0.72, y2=1.0, y1=0.0
real(8) u(0:n1+1, 0:n2), u0(0:n1+1, 0:n2), u1(0:n1+1, 0:n2), u2(0:n1+1, 0:n2)
real(8)
v(0:n1, 0:n2), v0(0:n1, 0:n2), v1(0:n1, 0:n2), v2(0:n1, 0:n2)
real(8) p(0:n1,0:n2), p1(0:n1,0:n2), y(0:n2+1,0:n2+1), yk(0:n1,0:n2), yn(0:n1,0:n2)
real(8)
a1(0:n1+1), b1(0:n1+1), a2(0:n2+1), b2(0:n2+1)
character(120) :: ft='tem6j50m05.txt'
character(120) :: fy='fun6j50m05.txt'
character(120) :: fp='dav6j50m05.txt'
character(120) :: fu='sco6j50m05.txt'
character(120) :: nu='nus6j50m05.txt'
integer
real(8)
real(8)
!C...
i, j, k, nn, m
h1, h2, h11, h22, h12, h14, h24, hr1, hr2, ts1, ts2, ms, ss, dT
mn, s, mm, sm, kn, kan, hp1, hp2, Ny0, Ny1, Nx1 !, l, mt, st, ks,
dat:
text
!C...begin
h1=d1/n1; h2=d2/n2; h11=h1*h1; h12=h1*h2; h22=h2*h2;
ts1=t*t0*si/h11; ts2=t*t0*si/h22; h14=4*h1; h24=4*h2;
hr2=h2*re; hr1=h1*re; dT=y2-y1; hp1=h11*re*Pr;hp2=h22*re*Pr;
kn=k2/(n1-k1); kan=(n2-k2+1.0)/(k1+1.0);
do i=0,n1+1
do j=0,n2
if(j<k2) then
u0(i, j)=j*(k2-j)*h22
else
u0(i, j)=0.0
endif
enddo
enddo
do i=0,n1
do j=0,n2
if(j>(n1-i)*kn) then
v0(i, j)=(i-k1)*(2*n1-k1-i)*h11
else
v0(i, j)=0.0
endif
enddo
enddo
do i=0,n1
do j=0,k2
p(i, j)=p0-i*dp/n1/2
enddo
enddo
do i=k1,n1
do j=k2,n2
p(i, j)=p0-(j/n2+1)*dp/2
enddo
enddo
do i=0,n1
do j=0,n2
if(j<(n1-i)*kn) then
y(i, j)=y2-j*y2/k2
170
else
y(i, j)=y2*(i-k1)/(n1-k1)
endif
enddo
enddo
do i=0,k1-1
do j=k1+1,n2
y(i,j)=0.0
enddo
enddo
!begin
nn=0
do!repeat
пока не закончиться итерация по NN
nn=nn+1;
do i=1,n1
do j=1,n2-1
if(.not.(i<k1+2.and.j>k2-1)) then
u1(i, j)=u0(i, j)+t*((u0(i-1, j)*u0(i, j)-u0(i, j)*u0(i+1, j))/h1
+((u0(i, j)+u0(i, j-1))*(v0(i-1, j-1)+v0(i, j-1))(u0(i, j+1)+u0(i, j))*(v0(i-1, j)+v0(i, j)))/h24((v0(i, j)-v0(i-1, j))/h1-(u0(i, j+1)-u0(i, j))/h2((v0(i, j-1)-v0(i-1, j-1))/h1-(u0(i, j)-u0(i, j-1))/h2))/hr2)
endif
enddo
enddo
do i=1,n1-1
do j=1,n2-1
if(.not.(i<k1+1.and.j>k2-2)) then
v1(i, j)=v0(i, j)+t*((v0(i, j-1)*v0(i, j)-v0(i, j)*v0(i, j+1))/h2
+((u0(i, j+1)+u0(i, j))*(v0(i-1, j)+v0(i, j))(u0(i+1, j+1)+u0(i+1, j))*(v0(i, j)+v0(i+1, j)))/h14 +G/re/re*y(i, j)+&
((v0(i+1, j)-v0(i, j))/h1-(u0(i+1, j+1)-u0(i+1, j))/h2((v0(i, j)-v0(i-1, j))/h1-(u0(i, j+1)-u0(i, j))/h2))/hr1)
endif
enddo
enddo
do j=1,n2-1
u1(n1+1, j)=-u1(n1, j);
v1(n1, j)=v0(n1, j)+t*((v0(n1, j-1)*v0(n1, j)-v0(n1, j)*v0(n1, j+1))/h2
+(2*(u0(n1,j+1)+u0(n1,j))*(v0(n1-1,j)+v0(n1,j)))/h14 &
+G/re/re*y(n1, j)+2*((v0(n1-1, j)-v0(n1, j))/h1+
&
(u0(n1, j+1)-u0(n1, j))/h2)/hr1);
if(j<k2) then
u1(0, j)=u1(1, j); v1(0, j)=0.0
else
u1(k1+1, j)=0.0; v1(k1, j)=0.0
endif
enddo
do i=0,n1+1
u1(i, 0)=0.0;
if(i<=k1) then
u1(i, k2)=0.0; v1(i, k2-1)=0.0
else
u1(i, n2)=0.0
endif
enddo
do i=0,n1
v1(i, 0)=0.0
if(i>k1-1) then
v1(i, n2)=v1(i, n2-1)
171
&
endif
enddo
do i=0,n1+1
do j=0,n2
if(.not.((i<k1+1).and.(j>k2))) then
u(i, j)=u0(i, j)
endif
enddo
enddo
do i=0,n1
do j=0,n2
if(.not.((i<k1).and.(j>k2-1))) then
v(i, j)=v0(i, j)
endif
enddo
enddo
!
writeln(u(2, 1), v(7, 7)),
k=0 ! repeat
do
k=k+1 !цикл выполняется до
do j=1,k2-1
a1(1)=1.0; b1(1)=0.0;
do i=1,n1
a1(i+1)=1.0/(2.0+1.0/ts1-a1(i));
b1(i+1)=(b1(i)+(1.0/si-1.0)*(u(i+1, j)-2*u(i, j)+u(i-1, j))
+(u1(i, j)-t*(p(i, j)-p(i-1, j)-t0*
(v(i, j)-v(i-1, j)-v(i, j-1)+v(i-1, j-1))/h2)/h1)/ts1)
/(2.0+1.0/ts1-a1(i))
enddo
u2(n1+1, j)=-b1(n1+1)/(1.0+a1(n1+1));
do i=n1,0,-1
u2(i, j)=a1(i+1)*u2(i+1, j)+b1(i+1)
enddo
enddo
do j=k2,n2-1
a1(k1+2)=0.0; b1(k1+2)=0.0;
do i=k1+2,n1
a1(i+1)=1.0/(2.0+1.0/ts1-a1(i));
b1(i+1)=(b1(i)+(1.0/si-1.0)*(u(i+1, j)-2*u(i, j)+u(i-1, j))
+(u1(i, j)-t*(p(i, j)-p(i-1, j)-t0*
(v(i, j)-v(i-1, j)-v(i, j-1)+v(i-1, j-1))/h2)/h1)/ts1)
/(2.0+1.0/ts1-a1(i))
enddo
u2(n1+1, j)=-b1(n1+1)/(1.0+a1(n1+1));
do i=n1,k1+1,-1
u2(i, j)=a1(i+1)*u2(i+1, j)+b1(i+1)
enddo
enddo
do
i=0,n1+1
u2(i, 0)=0.0
if(i<=k1) then
u2(i, k2)=0.0
else
u2(i, n2)=0.0
endif
enddo
do i=1,k1
172
a2(1)=0.0; b2(1)=0.0
do j=1,k2-2
a2(j+1)=1.0/(2.0+1.0/ts2-a2(j));
b2(j+1)=(b2(j)+(1.0/si-1.0)*(v(i, j+1)-2*v(i, j)+v(i, j-1))
+(v1(i, j)-t*(p(i, j+1)-p(i, j)-t0*
(u(i+1, j+1)-u(i+1, j)-u(i, j+1)+u(i, j))/h1)/h2)/ts2)
/(2.0+1.0/ts2-a2(j))
enddo
v2(i, k2-1)=0.0;
do j=k2-2,0,-1
v2(i, j)=a2(j+1)*v2(i, j+1)+b2(j+1)
enddo
enddo
do j=0,n2
if(j<k2) then
v2(0, j)=0.0
else
v2(k1, j)=0.0
endif
enddo
do i=k1+1,n1
a2(1)=0.0; b2(1)=0.0
do j=1,n2-1
a2(j+1)=1.0/(2.0+1.0/ts2-a2(j));
b2(j+1)=(b2(j)+(1.0/si-1.0)*(v(i, j+1)-2*v(i, j)+v(i, j-1))
+(v1(i, j)-t*(p(i, j+1)-p(i, j)-t0*
(u(i+1, j+1)-u(i+1, j)-u(i, j+1)+u(i, j))/h1)/h1)/ts2)
/(2.0+1.0/ts2-a2(j))
enddo
v2(i, n2)=b2(n2)/(1.0-a2(n2))
do j=n2-1,0,-1
v2(i, j)=a2(j+1)*v2(i, j+1)+b2(j+1)
enddo
enddo
do
i=0,n1-1
do j=1,n2
if(.not.((i<k1+1).and.(j>k2-1))) then
p1(i, j)=p(i, j)-t0*((u2(i+1, j)-u2(i, j))/h1+(v2(i, j)-v2(i, j-1))/h2)
endif
enddo
enddo
do j=1,n2
p1(n1, j)=p(n1, j)+t0*(2*u2(n1, j)/h1-(v2(n1, j)-v2(n1, j-1))/h2)
enddo
ms=0.0
do i=0,n1
do j=1,n2
if(.not.(i<k1+1.and.j>k2-1)) then
ss=abs((u2(i+1, j)-u2(i, j))/h1+(v2(i, j)-v2(i, j-1))/h2)
if(ms<ss) then
ms=ss
endif
endif
enddo
enddo
do i=0,n1+1
173
do j=0,n2
if(.not.((i<k1+1).and.(j>k2))) then
u(i, j)=u2(i, j)
endif
enddo
enddo
do i=0,n1
do j=0,n2
if(.not.((i<k1).and.(j>k2-1))) then
v(i, j)=v2(i, j)
endif
enddo
enddo
do i=0,n1
do j=1,n2
if(.not.((i<k1+1).and.(j>k2-1))) then
p(i, j)=p1(i, j)
endif
enddo
enddo
print*,'nors(', k, ')=', ms
if(.not.(ms>eps.and.k<9950)) exit
enddo
do i=0,k1
do j=k2,n2
if(j>n2-i*kan) then
p(i,j)=p(k1+1,j)
else
p(i, j)=p(i, k2-1)
endif
enddo
enddo
! {begin ts=1,
}
do j=1,k2-1
a1(1)=1.0; b1(1)=0.0
do i=1,n1-1
a1(i+1)=(u(i+1, j)/2/h1-1/hp1)/
&
((u(i+1, j)-u(i, j))/2.0/h1-2/hp1-2.0/t-(-u(i, j)/2.0/h1-1/hp1)*a1(i));
b1(i+1)=((-u(i, j)/2.0/h1-1/hp1)*b1(i)+
&
2.0*(u(i+1, j)*(y(i+1, j)-y(i, j))/2.0/h1+
&
u(i, j)*(y(i, j)-y(i-1, j))/2.0/h1-(y(i+1, j)-2.0*y(i, j)+y(i-1, j))/hp1+
v(i, j)*(y(i, j+1)-y(i, j))/2.0/h2+
&
v(i, j-1)*(y(i, j)-y(i, j-1))/2.0/h2-(y(i, j+1)-2.0*y(i, j)+y(i, j-1))/hp2))/
((u(i+1, j)-u(i, j))/2.0/h1-2.0/hp1-2.0/t-(-u(i, j)/2.0/h1-1/hp1)*a1(i))
enddo
yk(n1, j)=(b1(n1)/(1+2.0/t/(u(n1, j)/h1+2.0/hp1))-2.0/(2.0/t+u(n1, j)/h1+2.0/hp1)*
&
((u(n1, j)/h1+2.0/hp1)*(y(n1, j)-y(n1-1, j))+v(n1, j)*(y(n1, j+1)-y(n1, j))/2.0/h2+
v(n1, j-1)*(y(n1, j)-y(n1, j-1))/2.0/h2-(y(n1, j+1)-2.0*y(n1, j)+y(n1, j-1))/hp2))/
(1-a1(n1)/(1+2.0/t/(u(n1, j)/h1+2.0/hp1)))
do i=n1-1,0,-1
yk(i, j)=a1(i+1)*yk(i+1, j)+b1(i+1)
enddo
enddo
174
do j=k2,n2-1
a1(k1+1)=0; b1(k1+1)=0
do i=k1+1,n1-1
a1(i+1)=(u(i+1, j)/2.0/h1-1/hp1)/
&
((u(i+1, j)-u(i, j))/2.0/h1-2.0/hp1-2.0/t-(-u(i, j)/2.0/h1-1/hp1)*a1(i));
b1(i+1)=((-u(i, j)/2.0/h1-1/hp1)*b1(i)+
&
2.0*(u(i+1, j)*(y(i+1, j)-y(i, j))/2.0/h1+
&
u(i, j)*(y(i, j)-y(i-1, j))/2.0/h1-(y(i+1, j)-2.0*y(i, j)+y(i-1, j))/hp1+
v(i, j)*(y(i, j+1)-y(i, j))/2.0/h2+
&
v(i, j-1)*(y(i, j)-y(i, j-1))/2.0/h2-(y(i, j+1)-2.0*y(i, j)+y(i, j-1))/hp2))/
((u(i+1, j)-u(i, j))/2.0/h1-2.0/hp1-2.0/t-(-u(i, j)/2.0/h1-1/hp1)*a1(i))
enddo
yk(n1, j)=(b1(n1)/(1+2.0/t/(u(n1, j)/h1+2.0/hp1))-2.0/(2.0/t+u(n1, j)/h1+2.0/hp1)*
&
((u(n1, j)/h1+2.0/hp1)*(y(n1, j)-y(n1-1, j))+v(n1, j)*(y(n1, j+1)-y(n1, j))/2.0/h2+
v(n1, j-1)*(y(n1, j)-y(n1, j-1))/2.0/h2-(y(n1, j+1)-2.0*y(n1, j)+y(n1, j-1))/hp2))/
(1-a1(n1)/(1+2.0/t/(u(n1, j)/h1+2.0/hp1)))
do i=n1-1,k1,-1
yk(i, j)=a1(i+1)*yk(i+1, j)+b1(i+1)
enddo
enddo
do i=0,k1
a2(1)=0.0; b2(1)=0.0
do j=1,k2-1
a2(j+1)=(v(i, j)/2.0/h2-1/hp2)/
&
((v(i, j)-v(i, j-1))/2.0/h2-2.0/hp2-2.0/t-(-v(i, j-1)/2.0/h2-1/hp2)*a2(j));
b2(j+1)=((-v(i, j-1)/2.0/h2-1/hp2)*b2(j)-2.0*yk(i, j)/t)/
((v(i, j)-v(i, j-1))/2.0/h2-2.0/hp2-2.0/t-(-v(i, j-1)/2.0/h2-1/hp2)*a2(j))
enddo
yn(i, k2)=0.0
do j=k2-1,0,-1
yn(i, j)=a2(j+1)*yn(i, j+1)+b2(j+1)
enddo
enddo
do i=k1+1,n1
a2(1)=0.0; b2(1)=0.0
do j=1,n2-1
a2(j+1)=(v(i, j)/2.0/h2-1/hp2)/
&
((v(i, j)-v(i, j-1))/2.0/h2-2.0/hp2-2.0/t-(-v(i, j-1)/2.0/h2-1/hp2)*a2(j))
b2(j+1)=((-v(i, j-1)/2.0/h2-1/hp2)*b2(j)-2.0*yk(i, j)/t)/
((v(i, j)-v(i, j-1))/2.0/h2-2.0/hp2-2.0/t-(-v(i, j-1)/2.0/h2-1/hp2)*a2(j))
enddo
yn(i, n2)=b2(n2)/(1-a2(n2))
do j=n2-1,0,-1
yn(i, j)=a2(j+1)*yn(i, j+1)+b2(j+1)
enddo
enddo
do
i=0,k1
do j=1,k2-1
y(i, j)=y(i, j)+yn(i, j)
enddo
enddo
175
do i=k1+1,n1
do j=1,n2
y(i, j)=y(i, j)+yn(i, j)
enddo
enddo
do j=0,n2
if(j>k2) then
y(k1, j)=y1
else
y(0, j)=y(1, j)
endif
enddo
do i=0,n1
y(i,0)=y2
if(i>k1) then
y(i,n2)=y(i,n2-1)
else
y(i,k2)=y1
endif
enddo
s=0.0
do i=1,n1
do j=1,n2
if(.not.(i<k1+1.and.j>k2-1)) then
s=s+((u2(i+1, j)-u0(i+1, j))**2+(v2(i, j)-v0(i, j))**2)
endif
enddo
enddo
mn=sqrt(s*h12)
print *,'
norn(', nn, ')=', mn
print *,' nors(', k, ')=', ms
do i=0,n1+1
do j=0,n2
if(.not.((i<k1+1).and.(j>k2))) then
u0(i, j)=u2(i, j)
endif
enddo
enddo
do i=0,n1
do j=0,n2
if(.not.((i<k1).and.(j>k2-1))) then
v0(i, j)=v2(i, j)
endif
enddo
enddo
if(.not.(mn>epn.and.nn<4800)) exit
enddo
NY0=(y(0,0)-y(0,1)+y(n1,0)-y(n1,1))/2
do i=1,n1-1
Ny0=Ny0+y(i,0)-y(i,1)
enddo
NY1=(y(0,k2-1)-y(0,k2)+y(k1,k2-1)-y(k1,k2))/2
do i=1,k1-1
Ny1=Ny1+y(i,k2-1)-y(i,k2)
enddo
Nx1=(y(k1+1,k2)-y(k1,k2)+y(n2,k1+1)-y(n2,k1))/2
do j=k2+1,n2-1
176
Nx1=Nx1+y(k1+1,j)-y(k1,j)
enddo
open(6,file=nu)
write(6,'(2x,4f13.8)') -1*Ny0, ny1, nx1, Nx1+ny1-ny0
close(6)
open(2,file=ft)
!do j=0,n2
! write(2,'(1x,102f11.8)')
!enddo
write(2,*)
write(2,*)
do j=0,n2
do i=0,n1
write(2,*)
enddo
enddo
close(2)
y(0:n1,j)
'VARIABLES = "X", "Y", "Temperature"'
'ZONE I=', n1+1, 'J=', n2+1, 'F=POINT'
h1*i,h2*j, y(i,j)
y(0, 0)=0.0
do j=0,n2
y(n1, j)=0.0
if(j<k2-1) then
y(0, j+1)=y(0, j)+h2*u(0, j+1)
endif
enddo
do j=k2-1,n2
y(k1+1, j)=y(0, k2-1)
enddo
do i=0,n1-1
y(i, 0)=0.0
if(i<k1+1) then
y(i, k2-1)=y(0, k2-1)
else
y(i+1, n2)=y(i, n2)-h1*v(i, n2)
endif
enddo
do i=0,n1
do j=0,n2
yk(i, j)=y(0,k2-1)
enddo
enddo
m=0
do
m=m+1
do i=1,n1-1
do j=1,n2-1
if(.not.(i<k1+2.and.j>k2-2)) then
y(i, j)=((yk(i+1, j)+y(i-1, j))/h11+(yk(i, j+1)+y(i, j-1))/h22+
(v2(i, j)-v2(i-1, j))/h1-(u2(i, j+1)-u2(i, j))/h2)/(2/h11+2/h22)
endif
enddo
enddo
mm=0.0
do i=0,n1
do j=0,n2
if(.not.(i<k1+1.and.j>k2-1)) then
177
sm=abs(y(i, j)-yk(i, j))
if(mm<sm) then
mm=sm
endif
endif
enddo
enddo
print *,'norm(',m,')=', mm
do i=0,n1
do j=0,n2
if(.not.(i<k1+1.and.j>k2-1)) then
yk(i, j)=y(i, j)
endif
enddo
enddo
if(.not.(mm>epm.and.m<3500)) exit
enddo
open(3,file=fy)
!do j=0,n2
! write(3,'(1x,102f11.8)') yk(0:n1,j)
!enddo
write(3,*)
write(3,*)
do j=0,n2
do i=0,n1
write(3,*)
enddo
enddo
close(3)
'VARIABLES = "X", "Y", "Ksi"'
'ZONE I=', n1+1, 'J=', n2+1, 'F=POINT'
h1*i,h2*j, yk(i,j)
open(4,file=fp)
!do j=1,n2
! write(4,'(1x,102f11.8)')
!enddo
write(4,*)
write(4,*)
p(0:n1,j)
'VARIABLES = "X", "Y", "Pressure"'
'ZONE I=', n1+1, 'J=', n2, 'F=POINT'
do j=1,n2
do i=0,n1
write(4,*) h1*i,h2*j, p(i,j)
enddo
enddo
close(4)
open(5,file=fu)
do j=0,n2
write(5,'(1x,102f11.8)') u(0:n1+1,j)
enddo
close(5)
endprogramTuvp
178
ПРИЛОЖЕНИЕ Д
Зависимости чисел Рейнольдса
Зависимость числа Рейнольдса, соответствующего
режимам, от параметра Gr показана на рисунках Д.1 Д.2.
установившимся
Re*=100
Re*=200
Re*=300
Re*=400
Re*=500
350
300
250
Re
200
150
100
50
10000
20000
30000
40000
50000
Gr
Рисунок Д.1 – Зависимость числа Рейнольдса от числа Грасгофа
600
550
500
450
Re
400
350
Re*=200
Re*=300
Re*=400
Re*=500
Re*=600
Re*=700
300
250
200
150
100
0
100000
200000
300000
400000
500000
Gr
Рисунок Д.2 – Зависимость числа Рейнольдса от числа Грасгофа
179
На рисунках Д.3, Д.4 показана зависимость числа
соответствующего установившимся режимам, от параметра Re..
Рейнольдса,
400
Gr=10
Gr=20
Gr=30
Gr=40
Gr=50
350
300
000
000
000
000
000
250
Re 200
150
100
50
100
200
300
400
Re*(p)
500
Рисунок Д.3 – Зависимость числа Рейнольдса от «Опорного» числа Re
600
500
T=const
Gr=10000
Gr=25000
Gr=50000
Gr=100000
Gr=200000
Gr=300000
Gr=400000
Gr=500000
Re
400
300
200
100
200
300
400
500
600
700
Re*(p)
Рисунок Д.4 – Зависимость числа Рейнольдса от «Опорного» числа Re
180
На рисунках Д.5 – Д.9 проиллюстрировано поведение локальных чисел
Нуссельта на нижней и верхних стенках области АВ СD ОО'.
Nu(1)
-0,006
-0,008
-0,01
-0,012
-0,014
0,49
0,455
0,42
0,385
0,35
0,315
0,28
0,245
0,21
0,175
0,14
0,105
-0,004
0,07
-0,002
0,035
0
0
Gr=5E+5
Gr=4E+5
Gr=3E+5
Gr=2E+5
Gr=1E+5
Gr=0,5E+5
Gr=0,1E+5
-0,016
-0,018
AO
Рисунок Д.5 – Локальные числа Нуссельта на нижней границе при Re=500
Рассмотрим верхнюю горизонтальную стенку (ВС) (рисунки Д.6, Д.8,
Д.12). Вначале "сквозное" течение отходит от неё, а затем постепенно набегает
на стенку в направлении вершины угла С. Поэтому в левой половине этой
границы число Нуссельта уменьшается, и а правой половинезначительно
увеличивается. Положение локального минимума соответствует точке
наименьшего взаимодействия течения со стенкой, а положение относительного
максимума соответствует точке С, где происходит наиболее интенсивное
взаимодействие течения со стенкой.
0,055
0,05
0,045
Gr=5E+5
Gr=4E+5
Gr=3E+5
Gr=2E+5
Gr=1E+5
Gr=0,5E+5
Gr=0,1E+5
Nu(2)
0,04
0,035
0,03
0,025
0,02
0,015
BC
Рисунок Д.6 – Локальные числа Нуссельта на верхней горизонтальной
границе при Re=500
181
На рисунках Д.7, Д.10, Д.13 приведен график изменения локальных чисел
Нуссельта (Nu(3)) для верхней вертикальной стенки (СD). Как видно, максимум
значений отвечает также точке С. Наиболее заметной особенностью поведения
чисел Нуссельта на этом участке границы области является то, что существуют
локальные минимумы за углом С (у  0.4). Место падения интенсивности
теплового взаимодействия потока со стенкой соответствует зоне образования
вторичного движения при больших Gr, т.е. поток отклоняется от стенки и,
отрываясь, служит в
На рисунках показан график изменения Nu(1) на нижней стенке.
Отрицательное значение Nu(1) показывает, что происходит теплоотдача.
Действительно, по мере приближения к оси симметрии, вблизи стенки
жидкость нагревается более интенсивно, что соответствует уменьшению
теплоотдачи. В правой нижней области конвективный теплоотвод от стенки
становится существенным, и изотермы отодвигаются от стены, соответственно,
тепловые потери в этой области уменьшаются.
Также нужно заметить, что при достаточно больших числах Рейнольдса
(Re=500-700), то есть при достаточно сильных конвективных течениях,
увеличение разности температур стенок (например, при числах
Gr=5·105характерная разность температур для воздуха приблизительно равна
100С) не приводит к заметному увеличению расхода жидкости.
0,05
0,04
Gr=5E+5
0,035
Gr=4E+5
0,03
Gr=3E+5
Gr=2E+5
0,025
Gr=1E+5
0,02
Gr=0,5E+5
0,015
Gr=0,1E+5
0,01
0,005
0,96
0,905
0,85
0,795
0,74
0,685
0,63
0,575
0,52
0,465
0,41
0,355
0
0,3
Nu(3)
0,045
CD
Рисунок Д.7–Локальные числа Нуссельта на верхней вертикальной
границе при Re=500
182
0
-0,002
-0,004
Gr=5E+5
-0,006
Gr=4E+5
Nu(1)
Gr=3E+5
-0,008
Gr=2E+5
Gr=1E+5
-0,01
Gr=0,5E+5
Gr=0,1E+5
-0,012
-0,014
-0,016
-0,018
Рисунок Д 8 - Локальные числа Нуссельта на нижней границе при Re=300
0,08
0,07
0,06
Gr=5E+5
Nu(2)
0,05
Gr=4E+5
Gr=3E+5
0,04
Gr=2E+5
Gr=1E+5
0,03
Gr=0,5E+5
0,02
Gr=0,1E+5
0,01
0,3
0,275
0,25
0,225
0,2
0,175
0,15
0,125
0,1
0,075
0,05
0,025
0
0
BC
Рисунок Д.9 –Локальные числа Нуссельта на верхней горизонтальной
границе при Re=300
183
0,07
0,06
Gr=5E+5
0,05
Nu(3)
Gr=4E+5
Gr=3E+5
0,04
Gr=2E+5
Gr=1E+5
0,03
Gr=0,5E+5
0,02
Gr=0,1E+5
0,01
0,975
0,93
0,885
0,84
0,795
0,75
0,705
0,66
0,615
0,57
0,525
0,48
0,435
0,39
0,345
0,3
0
CD
Рисунок Д.10 –Локальные числа Нуссельта на верхней вертикальной границе
при Re=300
0
-0,002
-0,004
Gr=5E+5
-0,006
Gr=4E+5
Nu(1)
Gr=3E+5
-0,008
Gr=2E+5
Gr=1E+5
-0,01
Gr=0,5E
+5
Gr=0,1E
+5
-0,012
-0,014
-0,016
-0,018
AO
Рисунок Д.11 –Локальные числа Нуссельта на нижней границе при Re=700
184
0,05
0,045
0,04
Gr=5E+5
0,035
Gr=4E+5
Nu(2)
0,03
Gr=3E+5
Gr=2E+5
0,025
Gr=1E+5
0,02
Gr=0,5E+
5
0,015
Gr=0,1E+
5
0,01
0,005
0
BC
Рисунок Д.12 –Локальные числа Нуссельта на верхней горизонтальной границе
при Re=700
0,04
0,035
0,03
Gr=5E+5
Gr=4E+5
0,025
Nu(3)
Gr=3E+5
Gr=2E+5
0,02
Gr=1E+5
0,015
Gr=0,5E+5
Gr=0,1E+5
0,01
0,005
0,975
0,93
0,885
0,84
0,795
0,75
0,705
0,66
0,615
0,57
0,525
0,48
0,435
0,39
0,345
0,3
0
CD
Рисунок Д.13 –Локальные числа Нуссельта на верхней вертикальной
границе при Re=700
185
ПРИЛОЖЕНИЕ Е
Теплоаккумулирующие материалы.
Таблица Е.1- Основные характеристики теплоаккумулирующих материалов
ТАМ
Тпл, Плотность Теплопроводность Теплоемкость, Энтальпия
°С
r , г/см3 l , Вт/(мК)
кДж/(кг*К)
фазового
перехода D i
rт
rж
lт
Ст
lж
Сж
Бетон
2200
0,9-1,75
0,96
Грунт (мелкие
куски)
2560
0,52
0,84
Галька(грунт)
2640
1,7-4,0
0,88
Вода
1000
0,7
кДж/к МДж/м3
г
4,19
Расплав калийнатриевых солей
(46%МаКОз4%КМОз)
29,2 1,62 1,50
0,6
0,3
1,47
1,47
172,5
258,1
Na2S04*10H20
32,4 1,46 1,41
0,5
0,3
1,76
3,31
251,0
345,2
Na2HP04*12H20
35,2
-
1,42
0,5
-
1,55
3,18
279,6
403,2
Лауриновая
кислота
44,0
-
0,91
0,4
0,2
-
-
175,3
159,6
Миристиновая
кислота
54,1
-
0,87
-
-
1,60
2,26
187,8
162,8
Пальмиритиновая
кислота
65,0
-
0,88
-
-
1,80
2,73
184,5
162,9
Парафин
42,0 0,91 0,77
-
-
2,08
-
187,8
144,0
186
Таблица Е.2.- Основные характеристики теплоаккумулирующих материалов
Теплоаккумулирующий
материал
Удельная
теплоемкость,
кДж/(кг*К)
Плотность,
кг/м3
Вода
4,18
Железный лом
Теплоемкость, кДж/(м3*К)
без
пустот
30% пустот
993
4154
-
0,502
7849
3953
2881
Магнезит (Fe3O4)
0,753
5126
3819
2747
Алюминиевый лом
0,962
2723
2613
2680
Бетон
1,13
2242
2546
1809
Камень
0,879
2723
2412
1742
Кирпич
0,837
2242
1876
1675
Натрий (до 100° С)
0,962
945
938
1340
187
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж
Характеристики приборов
Таблица Ж.1- Консруктивные особеннности приборов для замера воздушного
потока.
Прибор /
характеристики
Чувствительный
элемент
Термоанемометр
«Обогреваемая
струна»
Принцип
измерения
При
прохождении
через струну
потока воздуха
она
охлаждается, и
меняется ее
сопротивление,
которое
пропорциональн
о скорости
воздуха.
Область
применения
Приблизительный диапазон
измерения
Воздуховоды,
решетки,
аттестация
рабочих мест.
0,1 … 20-30 м/с
Крыльчатый
анемометр
Крыльчатка
Скорость
определяется
по числу
оборотов
вращающейся
под действием
потока воздуха
крыльчатки.
Диаметр
крыльчатки:
D=16-25мм –
воздуховоды,
D=60-100мм –
решетки
от 0,2 … 0,6
м/с
до 15 … 40 м/с
188
Дифференциальный
манометр
(дифманометр) с
напорной трубкой
Датчик давления
Напорные трубки
(Пито, НИИОГАЗ и
др.) имеют два канала,
соединяемые
шлангами со
штуцерами
дифманометра. Они
воспринимают полное
и статическое давление
в воздуховоде, по
которым прибор
измеряет
динамический напор,
на основе которого
вычисляются скорость
потока и объемный
расход.
Воздуховоды
2-4 … 20-100 м/с
Скорость потока в
соответствии с ГОСТ
17.2.4.06-90 должна
быть не менее 4 м/с.
Минимальная скорость
может быть от 2 до 10
м/с в зависимости от
диапазона измерения
давления.
Максимальная
скорость
ограничивается
конструктивными
Продолжение таблицы Ж.1
особенностями трубки.
и техническими
средствами проведения
поверки
Относительная
погрешность по
скорости
Средняя рабочая
температура
зонда (трубки)
около 5%
3-5%
3-5%
-20 … +70 °С
-20 … +70 °С
-40 … +600 °С
189
ПРИЛОЖЕНИЕ И
Текст программы эксперимента
dimensionu(41,21),v(41,21),w(41,21),w1(41,21),w2(41,21),
*p(41,21),p1(41,21),pk(41,21),alf(41),bt(41),fp(41)
open(60,file='psy.dat')
open(61,file='u.dat')
open(62,file='v.dat')
pi=3.14
alfa=pi/6
beta=pi/4
x1=1
x2=2
wt=1.72
eps=0.001
eps1=0.0001
n1=41
n2=21
n12=n1-1
n22=n2-1
dl1=2.3
dl2=0.3
re=100.
y3=dl1*tan(beta)+(x1*tan(alfa)-x2*tan(beta))
y4=dl1*tan(beta)+(x1*tan(alfa)+dl2-x2*tan(beta))
h1=dl1/n12
h2=dl2/n22
t=0.001
th1=0.5*t/h1
th2=0.5*t/h2
tr1=t/(re*h1**2)
tr2=t/(re*h2**2)
do 1 i=1,n1
do 1 j=1,n2
u(i,j)=100*(j-1)*h2*(dl2-(j-1)*h2)
1 v(i,j)=0
do 2 j=1,n2
y=y3+(j-1)*h2
p1(1,j)=100*(dl2*((j-1)*h2)**2/2*((j-1)*h2)**3/3)
w2(1,j)=100*(dl2-2*(j-1)*h2)
p1(n1,j)=100*(-y**3/3.+
*(y3+y4)*y**2/2.-y3*y4*y)
p1(n1,j)=p1(n1,j)-100.*(-y3**3/3.+(y4+y3)*y3**2/2.*y3**2*y4)
w2(n1,j)=100*(-2*y+y3+y4)
u(n1,j)=100*(-y**2+(y3+y4)*y-y3*y4)
2 continue
write(59,20)(p1(n1,j),j=1,n2)
do 3 i=1,n12
p1(i,1)=0
w2(i,1)=2*(p1(i,2)-p1(i,1))/h2**2
p1(i,n2)=50*dl2**3/3
w2(i,n2)=-2*(p1(i,n2)-p1(i,n22))/h2**2
3 continue
m=490
mp=500
n=0
4 n=n+1
if (n.gt.m) go to 18
do 400 i=1, n1
190
xx=(i-1)*h1
if (xx.lt.x1.and.xx.ge.0) fp(i)=tan(alfa)
if (xx.lt.x2.and.xx.ge.x1) fp(i)=0
if (xx.le.dl1.and.xx.ge.x2) fp(i)=tan(beta)
400 continue
do 5 i=1,n1
do 5 j=1,n2
p(i,j)=p1(i,j)
w1(i,j)=w2(i,j)
5 w(i,j)=w2(i,j)
do 6 j=2, n22
j1=j+1
j2=j-1
alf(2)=0.
bt(2)=w(1,j)
do 7 i=2,n12
i1=i+1
i2=i-1
a=th1*(u(i,j)-abs(u(i,j)))-tr1
b=-th1*(u(i,j)+abs(u(i,j)))-tr1
c=-1+a+b
f=w(i,j)+tr2*(w(i,j1)-2*w(i,j)+w(i,j2))
f=f-th2*((v(i,j)+abs(v(i,j)))*(w(i,j)-w(i,j2))+
*(v(i,j)-abs(v(i,j)))*(w(i,j1)-w(i,j)))*(t*2*fp(i)/(re*h1))*(w(i1,j1)-w(i1,j)-w(i,j1)+w(i,j))/h2
alf(i1)=a/(c-b*alf(i))
bt(i1)=(b*bt(i)-f)/(c-b*alf(i))
7 continue
w1(n1,j)=100*(-2*(j-1)*h2+y3+y4)
do 8 i=1,n12
k=n1-i
w1(k,j)=alf(k+1)*w1(k+1,j)+bt(k+1)
8 continue
6 continue
do 9 i=2,n12
i1=i+1
i2=i-1
alf(2)=0.
bt(2)=0
do 10 j=2,n22
j1=j+1
j2=j-1
a=th2*(v(i,j)-abs(v(i,j)))-tr2*(1+(fp(i)**2))
b=-th2*(v(i,j)+abs(v(i,j)))-tr2*(1+(fp(i)**2))
c=-1+a+b
f=w1(i,j)+tr1*(w1(i1,j)-2*w1(i,j)+w1(i2,j))
f=f-th1*((u(i,j)+abs(u(i,j)))*(w1(i,j)-w1(i2,j))+
*(u(i,j)-abs(u(i,j)))*(w1(i1,j)-w1(i,j)))*(t*2*fp(i)/(re*h1))*(w1(i1,j1)-w1(i1,j)-w1(i,j1)+w1(i,j))/h2
alf(j1)=a/(c-b*alf(j))
bt(j1)=(b*bt(j)-f)/(c-b*alf(j))
10 continue
w2(i,n2)=-2*(p(i,n2)-p(i,n22))/h2**2
do 11 j=1,n22
k=n2-j
w2(i,k)=alf(k+1)*w2(i,k+1)+bt(k+1)
11 continue
9 continue
kp=0
12 kp=kp+1
if (kp.gt.mp) go to 33
do 13 i=1,n1
do 13 j=1,n2
13 pk(i,j)=p1(i,j)
191
do 14 i=2,n12
i1=i+1
i2=i-1
do 14 j=2,n22
j1=j+1
j2=j-1
d=2/(h1**2)+2*fp(i)/(h1*h2)+2*(1+fp(i)**2)/(h2**2)
p1(i,j)=(1-wt)*pk(i,j)+wt*((p1(i2,j)+pk(i1,j))/h1**2+
*(1+fp(i)**2)*(p1(i,j2)+pk(i,j1))/h2**2*2*fp(i)/h1*(pk(i1,j1)-pk(i1,j)-pk(i,j1))/h2-w2(i,j))/d
14 continue
horp=0
do 15 i=1,n1
do 15 j=1,n2
ps=abs(p1(i,j)-pk(i,j))
if(ps.gt.horp) horp=ps
15 continue
if (horp.gt.eps1) goto 12
33 do 16 i=2,n12
i1=i+1
i2=i-1
do 16 j=2,n22
j1=j+1
j2=j-1
u(i,j)=0.5*(p1(i,j1)-p1(i,j2))/h2
v(i,j)=-0.5*(p1(i1,j)-p1(i2,j))/h1+
*fp(i)*0.5*(p1(i,j1)-p1(i,j2))/h2
16 continue
hor=0
do 17 i=1,n1
do 17 j=1,n2
ps=abs(w2(i,j)-w(i,j))
if(ps.gt.hor) hor=ps
17 continue
print 333,n,hor,kp,horp
if (hor.gt.eps) go to 4
18 write(60,20)((p1(i,j),i=1,21),j=1,n2)
write(60,25)((p1(i,j),i=22,n1),j=1,n2)
write(61,20)((u(i,j),i=1,21),j=1,n2)
write(61,25)((u(i,j),i=22,n1),j=1,n2)
write(62,20)((v(i,j),i=1,21),j=1,n2)
write(62,25)((v(i,j),i=22,n1),j=1,n2)
20 format(21f8.4)
25 format(20f8.4)
333 format(i5,f15.8,i5,f15.8)
stop
end
192
ПРИЛОЖЕНИЕ К
Плотность сухого воздуха
Таблица К.1 - Плотность сухого воздуха при различной температуре и
нормальном атмосферном давлении (760 мм.рт.ст.).
Температура, t°C
Плотность, кг/м3
0
1,293
2
1,284
4
1,275
6
1,266
8
1,257
10
1,247
12
1,239
14
1,230
16
1,221
18
1,213
20
1,205
22
1,197
24
1,189
26
1,181
28
1,173
30
1,165
100
0,946
200
0,746
300
0,615
500
0,456
800
0,329
1000
0,277
193
ПРИЛОЖЕНИЕ Л
Акт испытания
194
195
После высушивания
196
ПРИЛОЖЕНИЕ М
Рекомендация
197
198
ПРИЛОЖЕНИЕ Н
Акты внедрения
199
200
201