- •Конспект лекцій
- •Складання математичного опису об'єктів аналітичними методами
- •§ 1. Методика складання математичного опису аналітичними методами
- •§ 2. Типові математичні моделі технологічних процесів
- •§ 3. Установлення структури типових математичних моделей
- •§ 4. Класифікація математичних моделей технологічних процесів
- •Моделювання процесів нагрівання й охолодження харчових продуктів
- •§ 5. Загальні принципи рішення задач розрахунку теплообмінників з використанням моделей
- •§ 7. Модель встановлення розподілу температур теплоносіїв по довжині теплообмінника
- •§ 6. Модель для визначення кінцевих температур теплоносіїв
- •§ 8. Моделювання процесів випарювання
- •§ 9. Модель технологічного розрахунку режимів випарювання
- •§ 10. Модель для визначення динамічних властивостей випарного апарата
- •Моделювання масообмінних процесів харчових виробництв
- •§ 11. Особливості складання моделей масообмінних процесів
- •§ 12. Математичні моделі кінетики сушіння
- •§ 13. Математична модель оптимізації сушіння
- •§ 14. Моделювання процесів ректифікації
- •Моделювання хімічних і біохімічних процесів харчових виробництв
- •§ 15. Моделювання кінетики хімічних і біохімічних перетворень
- •§ 16. Математична модель оптимального виходу біомаси
- •§ 17. Моделі кінетики гідролізу
§ 12. Математичні моделі кінетики сушіння
Сушіння є типовим
масообмінним процесом, при якому волога
переміщається від матеріалу, що
висушується, до сушильного агента.
Сушінню піддають різні харчові продукти,
напівфабрикати й сировини (зерно, солод,
барду, кормові й харчові дріжджі, крохмаль
та ін.). У деяких харчових виробництвах
сушіння - основний технологічний процес
(виробництво сухарів, сухого молока,
яєчного порошку, сухих фруктів й овочів).
Процес сушіння обумовлений підведенням
теплоти до продукту,
Рис. 12.1. Структурна схема сушильної установки
що висушується, завдяки якому відбувається випаровування вологи. Як сушильний агент, застосовується повітря, перегріта пара й топкові гази, які насичуються вологою, що випаровується, з матеріалу, що висушується.
Сушіння харчових продуктів роблять у барабанних, стрічкових, шахтних, розпилюючих, коридорних, камерних сушіннях, в установках з падаючими і киплячими шарами та ін. Ці апарати відрізняються конструктивними параметрами, напрямком сушильного агента й продукту, що висушується, тиском у сушильній камері. Незалежно від способу сушіння й конструкції апарата сушильну установку представимо структурною схемою, наведену на мал. ( ). Обов'язкові елементи сушильної установки: підігрівник (топка, калорифер та ін.) повітря 1, змішувач 2,
сушильна камера 3, пристрій для подачі в сушильну камеру або бункер-накопичувач матеріалу, що висушується 4, бункер-накопичувач сухого продукту 5. У деяких випадках застосовують процеси сушіння з рециркуляцією матеріалу, що висушується, або з рециркуляцією сушильного агента.
У цьому випадку сушильна установка оснащується для змішування вихідного й рециркуляційного матеріалу й сушильного агента. Найбільш складний елемент з точки зору складання математичних моделей — сушильна камера, де відбувається процес сушіння, що складається з трьох етапів: підігріву, сушіння й охолодження. У деяких типах сушильних установок кожен етап реалізується окремими пристроями. У підігрівник надходять паливо Gт і повітря l1в , у результаті згоряння палива утворяться гарячі гази, які змішуються з атмосферним повітрям L2в й утворюють сушильний агент із витратою L, температурою tc.a і вологовмістом d.
Основними параметрами процесу сушіння є характеристики матеріалу, що висушується, і сушильного агента (мал. ): витрата GH , початковий вологовміст матеріалу ин (або вологість WH), його температура tн , швидкість руху υM, товщина шару hм у сушильній камері і його якісні показники kн. Сушильний агент характеризується витратою L, температурою tса, вологовмістом d та ін. На процес впливають також характеристики навколишнього середовища: відносна вологість φ0, температура t0,, тиск Р0..
Рис. 12.2. Параметрична схема процесу сушки.
Вихідними
параметрами є характеристики висушеного
матеріалу після сушіння й сушильного
агента, що відпрацював: кінцевий
вологовміст ик
(вологість
Wк) ,
температура
tк
,
якість сухого продукту
kн
,
температура
, вологовміст
сушильного
агента, що відпрацював. Вихідними
параметрами можуть бути також різні
характеристики (коефіцієнти) процесів
обміну тепла й вологи α,
β, αT
,
експозиція
τ, тиск Рс
,
швидкості
сушильного агента в шарі υс.
a
та ін. Вихідними характеристиками є
також витрати на сушіння, які визначаються
різними критеріями ефективності Еi:
питомими
витратами палива, електроенергії, праці
й т. д.
Основною технологічною метою процесу сушіння є забезпечення заданого значення вологості продукту, що висушується, при збереженні якості. Якість процесу оцінюють питомими витратами на одиницю маси вилученої вологи. Вибір керованих параметрів і керуючих впливів визначають задачами дослідження. Найчастіше керованими параметрами приймають вологість і витрати на сушіння. Якість висушеного матеріалу є, як правило, обмеженням. Оскільки якість продукту при сушінні визначається температурою нагрівання матеріалу та експозицією, тоді ці параметри - основні обмеження. Керуючими впливами приймають параметри сушильного агента: витрату (швидкість) і температуру, а іноді - витрату матеріалу, що висушується. Інші вхідні параметри стабілізують на вході або відносять до збурюючих впливів.
Для встановлення зв'язків між вхідними й вихідними параметрами застосовуються різні підходи й методи. Ці зв'язки можуть бути встановлені аналітично на основі використання рівнянь матеріального й енергетичного балансу, законів гідромеханіки, тепло- і масообміну та ін. Наприклад, для встановлення зв'язку між початковою й кінцевою вологістю матеріалу, що висушується, використовують рівняння кінетики сушіння, для встановлення залежності між температурою сушильного агента й висушеним матеріалом, - рівняння теплообміну. Для більш складних моделей, що встановлюють зв'язки між більшим числом параметрів, необхідно спільно розглядати всі перераховані аналітичні й експериментальні залежності. Експериментальні методи встановлення зв'язків між параметрами вимагають створення фізичної або натурної моделі, по різних планах, активними й пасивними методами.
Економічні показники процесу сушіння можуть бути розраховані на основі технічних характеристик, отриманих прямим вимірюванням або обчисленням на основі різних моделей з урахуванням вартості устаткування, існуючих норм і розцінок на виконання робіт.
Оскільки сушіння складається з трьох етапів, то при складанні математичних моделей нагрівання, сушіння й охолодження матеріалу, що висушується, використовують основні закони передачі маси й енергії. Через те, що при сушінні має місце в основному конвективний масообмін, тоді необхідно враховувати й основні закономірності гідродинаміки.
При складанні математичних моделей нагрівання, сушіння й охолодження матеріалу, що висушується, рівняння, що описують ці закономірності, використовують у різній формі.
Для аналізу процесу сушіння за основу звичайно приймають систему диференціальних рівнянь, що описують тепло- і вологоперенесення у вологих тілах.
(12.1)
Коефіцієнти kij визначаються сполученням термодинамічних і теплофізичних характеристик вологого тіла
;
;
;
;
;
;
;
;
.
Тут
додатково наведені наступні позначення:
- оператор Лапласа;
—
коефіцієнт температуропровідності;
ат
—
коефіцієнт дифузії вологи; δ — відносний
коефіцієнт термодифузії вологи; δР
— термоградієнтний коефіцієнт; ε —
критерій фазового перетворення; r
—
питома теплота фазового перетворення;
kp
—
коефіцієнт фільтраційного переносу
вологи; с
—
наведена питома теплоємність матеріалу;
cp
—
коефіцієнт ємності вологого повітря в
пористому тілі; х,
у, z —
координати; ρ0
— густина сухого скелету вологого тіла.
Для одномірних задач при відсутності градієнта загального тиску система рівняння спрощується
;
(12.2)
Всі теплофізичні й термодинамічні характеристики ат, δ, λ, с, r, ε є функціями температури t і вологовмісту.
В наведених рівняннях іноді вологовміст и заміняють потенціалом вологоперенесення du = ct, тоді відповідні термодинамічні й теплофізичні характеристики ділять на величину масоємності.
Для рішення системи наведених рівнянь необхідно знати розподіл температур і вологовмістів усередині тіла в початковий момент часу (початкові умови), геометричну форму тіла й закон взаємодії між навколишнім середовищем і поверхнею тіла (граничні умови). Сукупність початкових і граничних умов становить у найпростішому випадку крайові умови.
Граничні умови можуть бути задані чотирма способами. Гранична умова першого роду складається в завданні розподілу температури на поверхні тіла tп у часі, тобто tn (τ) = f(τ) (задача Діріхле), другого роду — у заданні щільності теплового потоку (похідна від температури) для кожної точки поверхні тіла як функції часу qп (τ) = f (τ) (задача Неймана), третього роду — у заданні температури навколишнього середовища й закону теплообміну між поверхнею тіла й навколишнім середовищем (змішані умови)
;
(12.3)
де tc — температура навколишнього середовища.
Гранична умова четвертого роду відповідає теплообміну тіла з навколишнім середовищем за законом теплопровідності або випадку теплообміну дотичних твердих тіл, коли їх температури поверхонь однакові (ідеальний тепловий контакт).
Розподіл температури всередині тіла в початковий момент часу задається початковою умовою
t = (х, у, z, 0) == f (x, у, z).
При рівномірному розподілі температури початкова умова приймає вид
t = (х, у, z, 0) = t0 = const.
Відповідно до теореми про одиничність рішень, якщо деяка функція f (х, у, z, τ) задовольняє диференціальному рівнянню, початковим і граничним умовам, то вона є єдиним рішенням задачі.
Наявність заданих крайових умов дозволяє в найпростіших випадках одержати аналітичні рішення прямої задачі теплопровідності, тобто знайти функцію
tп = f (x, в, z, τ).
Аналогічно граничним умовам теплообміну, взаємодія поверхні тіла з навколишнім середовищем, при масообміні, також може бути описано граничними умовами чотирьох родів. Граничні умови першого роду відповідають випадку, коли потенціал дифузійного масоперенесення на поверхні тіла дорівнює потенціалу масоперенесення в навколишньому середовищі; другого роду — випадку масообміну при сушінні вологих тіл, коли в першому періоді інтенсивність сушіння постійна, а в другому зменшується. Отже, у граничних умовах задається густина потоку маси речовини як функція часу gm = f(τ). В окремому випадку gm = const.
Граничні умови третього роду аналогічні граничним умовам теплообміну, а четвертого роду характеризують молекулярний теплообмін між двома середовищами. У загальному випадку граничні умови для одномірного потоку запишемо
;
(12.4)
де qn, qm — питомий потік відповідно тепла й вологи на поверхні.
Початкові умови для одномірного потоку при τ = 0 мають вигляд
и.
Система рівнянь ( ) і граничні умови становлять математичний опис тепло- і масообміну у вологих тілах і в бінарному паро газовому середовищі (сушильний агент) при конвективній дифузії в рідинах та ін. Для рухливих середовищ у рівняння необхідно ввести член, що містить швидкість руху середовища. Форма запису граничних умов залежить від виду тепло- і масообміну, геометричної форми середовища й обраної системи координат.
При побудові математичних моделей нагрівання, сушіння й охолодження матеріалу наведені математичні залежності спрощують введенням різних допущень, які хоча й знижують точність математичних моделей, але дозволяють представити складні процеси порівняно простими й доступними для рішення методами й засобами.
Такими допущеннями можуть бути заміна складних багатомірних тіл та просторів одномірними: поділ просторів і тіл складної форми на прості елементи; незмінність теплофізичних і термодинамічних характеристик у розглянутих діапазонах зміни температур і вологовмістів; виключення з рівнянь членів, що незначно впливають на кінцеві результати; перетворення системи координат для спрощення форми запису.
У зв'язку зі складністю й недостатньою точністю такого роду описів, а також відсутністю або складністю методу рішення систем рівнянь найчастіше використовують більш прості форми опису процесів сушіння.
Кінетику сушіння представляють різними формами кривої сушіння. Найпоширенішою формою є рівняння А. В. Ликова
W = Wp + (WH - Wp) exp (-kτ), (12.5)
де W, Wp, WH — поточна, рівноважна й початкова вологості матеріалу; k — коефіцієнт сушіння, що є функцією температури й вологості середовища, k = f (t, φ).
У деяких випадках раціонально застосовувати таку форму запису:
;
де а, b — коефіцієнти, що характеризують зв'язок вологи з матеріалом.
Рівноважна вологість для даного матеріалу є функцією температури й відносної вологості сушильного агента Wp = f (t, φ). Тому, використовуючи позначення Wy.H = WH — Wp та Wy= W – Wp (вилучена волога), кінетику сушіння представляють рівнянням виду
.
(12.6)
У
цьому рівнянні k
(t, φ)
характеризує режим, а
—
зв'язок вологи з матеріалом. Обидві ці
характеристики встановлюють
експериментально, вважаючи, що опис
кривої сушіння відомий. При відомих
описах кінетичних закономірностей і
чисельних значеннях, постійних для
дослідження, можна використовувати
аналогові й цифрові обчислювальні
машини.
Представивши рівняння ( ) або ( ) у диференціальній формі й склавши структурну схему набору цього диференціального рівняння на АОМ, можна одержати модель для дослідження кінетики. Для рішення цієї порівняно простої задачі в системах автоматичного керування застосовують спеціалізований обчислювальний пристрій, що дозволяє багаторазово вирішувати задачі розрахунку кінетики сушіння при зміні вихідної вологості продукту.
Більш складними є моделі, засновані на математичних описах полів вологовмісту й температури продукту й сушильного агента типу системи рівнянь ( ). Як приклад складання такого роду математичних моделей розглянемо задачу визначення вологості зерна в процесі сушіння по математичному описі поля вологовмісту й температур, складеному В.И. Жідко та А. С. Бомко. Це опис разом з початковими й граничними умовами має вигляд
(12.7)
з початковими
(12.8)
і граничними умовами и (τ, 0, r) = и° (τ, r)
(12.9)
де
— умова симетрії; R
—
радіус частинки; А,
В —
емпіричні коефіцієнти, x
, r
— координати по довжині сушильної
камери й радіусу зерновки. Наведена
система двох рівнянь описує процес
сушіння зерна в щільному й киплячому
шарах за умови перехресного руху
матеріалу й сушильного агента. Якщо
режим не порушується, тобто процес
сушіння відбувається в стаціонарному
стані й
тоді рівняння буде мати вигляд
(12.10)
(умова
симетрії) з початковими
и (0, r) = u0 ( r); t (0) = t0 ; (12.11)
і граничними умовами
(12.12)
При переході до системи рівнянь ( - ) врахований зв'язок середньої швидкості сушіння з поверхневим вологовмістом
.
Використовуючи метод прямих, застосований раніше для рішення задачі розподілу температур теплоносіїв, систему рівнянь в частинних похідних приведемо до системи звичайних диференціальних рівнянь, записавши кінцево-різницеві співвідношення
де k = I, 2, 3.....n — 1; n — номер прямої, що відноситься до r = R; h — інтервал по радіусу висушуваного матеріалу.
З огляду на те, що r = kh , одержимо
,
а для прямої з останнім номером k = п
,
де n — номер прямої, що відноситься до r = R..
Якщо
покласти n
=
,
то система рівнянь буде мати вигляд
;
(12.13)
;
з початковими умовами
и (0) = и;
t(0) = t;
i=l, 2, 3, 4.
Застосувавши кінцево-різницевий метод для координати часу, одержимо
де g — інтервал часу.
Після підстановок система рівнянь матиме вигляд
(12.14)
Вирішивши
цю систему рівнянь при початкових умовах
i= 1, 2, 3, 4,
одержимо розподіл температури й вологовмісту по довжині сушильної камери та у часі.
Систему рівнянь ( ) можна реалізувати на ЕОМ за допомогою алгоритму, наведеного на мал. ( ).
Для кроку інтегрування по змінній х, рівній 0,1l , отримали наступний розподіл вологовмісту по довжині сушильної камери:
Вихідними
даними для рішення задачі прийняті: ат
=
0,622
• 10 -12
м2/с;
густина ρ3
= 750 кг/м3;
про3
=
1,85 кдж/(кг • К); R
==
0,0015м; up
= 0,1 кг/кг; ur
= 0,33 кг/кг; r
=
2400 кдж/кг; А
=
0,26υс.
a;
B
=
0,86 ∙ 10 -8
t3;
=
0,4 м/с; N
= 2п;
поперечний
переріз повітряного потоку s = 0,1 м2.
Рис. 12.3. Структурна схема алгоритму визначення
кінетичних закономірностей сушіння
