Моделювання тепломасопереносу та зниження енерговитрат при блочному виморожуванні

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеська державна академія харчових технологій

УДК 66.021.001.57:621.56/59.004.18

МОДЕЛЮВАННЯ ТЕПЛОМАСОПЕРЕНОСУ ТА ЗНИЖЕННЯ ЕНЕРГОВИТРАТ ПРИ БЛОЧНОМУ ВИМОРОЖУВАННІ

Спеціальність 05.18.12 - процеси і обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Мілінчук Сергій Іванович

Одеса - 2001



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській державній академії харчових технологій Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Бурдо Олег Григорович, Одеська державна академія харчових технологій, завідуючий кафедрою процесів та апаратів

Офіційні опоненти : доктор технічних наук, професор Чепурненко Віктор Павлович, Одеська державна академія холоду, професор кафедри холодильних установок

кандидат технічних наук, доцент Погожих Микола Іванович, Харківська державна академія технології та організації харчування, доцент кафедри енергетики та фізики

Провідна установа - Український державний університет харчових технологій, кафедра процесів і апаратів харчових виробництв та технології консервування, Міністерство освіти і науки України, м. Київ

Захист відбудеться 08.06.2001 р. о 10-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.088.01 при Одеській державній академії харчових технологій за адресою: 65039, м. Одеса, вул. Канатна, 112.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Одеської державної академії харчових технологій за адресою: 65039, м. Одеса, вул. Канатна, 112.

Автореферат розісланий 04.05.2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор Моргун В.О.



АНОТАЦІЯ

Мілінчук С.І. Моделювання тепломасопереносу та зниження енерговитрат при блочному виморожуванні. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.18.12 - процеси та апарати харчових, мікробіологичних та фармацевтичних виробництв.

Одеська державна академія харчових технологій, Одеса, 2001.

Дисертація присвячена проблемам ефективного і раціонального використання енергії, накопиченої в блоці льоду при кріоконцентруванні методом блочного виморожування, а також удосконаленню існуючих методів розрахунку таких процесів. В роботі сформульована і доведена наукова гіпотеза, сутність якої в тому, що системний аналіз і урахування структури блоку льоду, яка змінюється, дозволяють вирішити спряжену гідро-масообмінну задачу формування твердої фази при блочному виморожуванні, узгоджену з термодинамічною моделлю генератора холоду. Наведено, що рециклінг льоду на другому ступені конденсатора в комплексі вирішує проблеми гравітаційного сепарування, плавлення блоку і підвищує енергетичну ефективність генератора холоду. На підставі аналітичного та експериментального моделювання визначена структура модифікованого критеріального рівняння, залежності кінетики льодоутворення та втрат неводних компонентів з блоком льоду від конструктивних особливостей криталізатора. Розроблена інженерна методика розрахунку, запатентована принципова схема виморожувальної установки. Виконан комплекс комп`ютерного моделювання, на підставі якого визначені раціональні режими роботи виморожувальної установки в залежності від різних сполучень конструктивних та режимних параметрів.

Ключові слова: блочне виморожування, концентрування, інтенсивність масопереносу, рециклінг льоду, енергозбереження.



АННОТАЦИЯ

Милинчук С.И. Моделирование тепломассопереноса и снижение энергопотребления при блочном вымораживании. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.18.12 - процессы и аппараты пищевых, микробилогических и фармацевтических производств.

Одесская государственная академия пищевых технологий, Одесса, 2001. лід кріоконцентрування енергія виморожування

Диссертация посвящена проблемам эффективного и рационального использования энергии, накопленной в блоке льда при криоконцентрировании методом блочного вымораживания, а также совершенствованию существующих методов расчета таких процессов.

В работе проведен сравнительный анализ основных известных производственных способов получения криоконцентратов и существующих методов расчета процессов криоконцентрирования. Проанализированы возможные направления совершенствования технологии блочного вымораживания с целью повышения ее энергоэффективности.

Рассмотрена термодинамическая модель процесса блочного вымораживания, на основании которой исследованы причины увеличения погрешности существующих методов расчета. Уточнена структура критериального уравнения, описывающего массопередачу при блочном вымораживании.

Разработана математическая модель сопряженного тепломассопереноса при блочном вымораживании, учитывающая не только условия массоотдачи, но и влияние типа системы охлаждения. С помощью термодинамической модели представлено обоснование целесообразности применения рециклинга льда. Установлена максимальная степень снижения энергозатрат. Разработана математическая модель режимов работы вымораживающей установки, адекватность которой подтверждена экспериментальными исследованиями.

Исследован процесс формирования блока льда: показано влияние типа системы охлаждения и конструктивных особенностей кристаллизатора на продолжительность концентрирования, кинетику льдообразования, распределение сухих веществ в блоке льда.

Результаты экспериментальных данных обобщены в критериальной форме. Показано, что модифицированное критериальное уравнение удачно корректирует опытные точки в зависимости от режимов работы установки.

Разработана инженерная методика расчета, основанная на наборе блок-схем для расчета отдельных ее этапов: теплофизических свойств, фазовых равновесий, кинетики массопередачи, времени кристаллизации, параметров работы вымораживающей установки с рециклингом льда. Сравнение результатов расчета по предложенной методике с данными экспериментальных исследований показало, что погрешность расчета температуры и концентрации раствора в пределах 10%, а параметров вымораживающей установки 10-15%.

Рассмотрены предложения по практическому использованию технологии блочного вымораживания с рециклингом льда. Запатентована принципиальная схема вымораживающей установки, работающей по этому принципу.

Ключевые слова: блочное вымораживание, концентрирование, интенсивность массопереноса, рециклинг льда, энергосбережение.



ANNOTATION

Milinchuk S.I. Moleling of heat-mass transfer and reduction of energy inputs in the process of block freezing. - Manuscript.

Thesis on competitiion of scietific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.18.12 - processes and mechanisms for rood, microbiologycal and pharmaceutical industries.

Odessa state academy of the food technologies, Odessa, 2001.

The thesis is devoted to the problems of effective and rational energy utilization accumulated in the ice block in the process of cryoconcentration by means of block freezing as to the issues of the existing techniques development which are used for calculation of such processes.

A scientific hypothesis has been formulated and proved in this thesis. The essence of this hypothesis is the following: systems analysys and monitoring of the changing product structure allows to solve a conjugated hydro-mass-exchange problem of a solid phase formation in the process of block freezing, consistent with thermodynamical model of a cold generator. It is demonstrates that recycling of the ice block on the second stage of a condenser allows to solve problems of gravitational separation, block melting and to increase cold generation power efficiency in a comprehensive manner. The structure of the modified criterial equation was determined on the basis of experimental and analytical modeling. There were determined dependencies of ice formation kinetics and losses of nonaqueous components with the ice block upon the design features of a crystallizer. Engineering design procedure was developed. The principal circuit of the freezing plant was patented. A computer experiment was made in order to optimize operating modes of the plant for different combinations of operating conditions and construction characteristics.

Key words: block freezing, concentrating, mass transfer intensity, ice recycling, energy-saving.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Динаміка розвитку переробної промисловості у світі свідчить, що сьогодні пріоритетне становище займають технології, які забезпечують максимальне збереження у готовому продукті смакових і харчових властивостей первинної сировини. Особливо це відноситься до харчових компонентів, які містять термолабильні продукти, зберігти якість яких при термічній обробці неможливо із-за значних втрат їх смакових, харчових та кольорових властивостей.

Високоякісні українські продукти не можуть конкурувати на світовому ринку із-за значної енергоємності, що в 2-4 рази перевищує рівень розвинутих країн. Ключовим процесом, що визначає як якість так і коштовність готового продукту є обезвожування рідин. У світі цих вимог серед сучасних засобів концентрування особливе місце займають низькотемпературні технології. Одним з перспективних є метод блочного виморожування, розроблений в ОДАХТ, основними особливостями якого є формування блоку льоду на стадії кристалізації, а не сепарування і утворення прихильних умов для здійснення гравітаційного сепарування блоку. Разом з цим, метод має значні резерви енергозбереження у вигляді неефективного використання енергії, накопиченої у блоці льоду. Окрім того, відсутність достатньо коректних методів розрахунку процесів блочного виморожування стримує ефективне використання цього методу у промисловості.

Зв`язок роботи з науковими програмами. Дисертаційна робота виконана відповідно до держбюджетної тематики науково-дослідницьких робіт (“Виробництво, переробка та збереження сільськогосподарської продукції” №0100U4572).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи - підвищити ефективність установок для виморожування за рахунок повного використання енергії льоду та поглибшення наукових основ для розрахунку і проєктування таких систем.

Для досягнення поставленої мети необхідно:

скласти термодинамічну та масообмінну моделі кінетики процесу в умовах сумісного тепломасопереносу;

створити модель режимів роботи виморожувальних установок з рециклінгом льоду;

виконати комплексні експериментальні дослідження для визначення: функціональних закономірностей кінетики масопереносу в залежності від конструктивних та режимних параметрів роботи кристалізатора; вплива рециклінгу льоду на режимні параметри виморожувальної установки;

узагальнити отримані результати і одержати критеріальні рівняння для розрахунку інтенсивності масопереносу при блочній кристалізації;

- розробити методику і створити комп`ютерну програму для розрахунку процесів концентрування блочним виморожуванням з рециклінгом льоду;

обгрунтувати раціональні режими роботи установки для різноманітних сполучень режимних та конструктивних параметрів.

Наукова новизна одержаних результатів. В результаті комплексу аналітичних та експериментальних досліджень вперше:

доказано наукові положення: а) "Системний аналіз і врахування структури продукту, яка змінюється, дозволяють розв`язати сумісну гідротепломасообмінну задачу формування твердої фази при блочному виморожуванні, узгоджену з термодинамічною моделлю генератора холода"; б) "Рециклінг блоку льоду на другій ступені конденсатора в комплексі вирішує енергетичну ефективність генератора холоду і проблему гравітаційного сепарування";

- отримано модель концентрування при блочному виморожуванні, яка враховує особливості типа системи охолодження і умови сумісного тепломасопереносу в стислих умовах;

отримано модель виморожувальної установки з рециклінгом льоду;

дістали подальший розвиток критеріальні рівняння для розрахунку інтенсивності масопереносу при блочному виморожуванні молочної сироватки;

методами ексергетичного аналізу порівняно ефективність випаровування та блочного виморожування за різними умовами експлуатації;

- розроблена методика розрахунку процеса концентрування розчинів при блочному виморожуванні з рециклінгом льоду.

Практичне значення одержаних результатів.

доведено перспективність застосування запропонованих автором апаратів та схем у процесах кріоконцентрування рідких харчових продуктів;

оригінальна схема виморожувальної установки, яка містить додатковий конденсатор-плавитель, відчиняє нові можливості удосконалення холодильних технологій. Технічна новизна пропозиції захищена патентом України;

на основі комплексу аналітичних та експериментальних досліджень розроблена методика розрахунку процесу концентрування розчинів при блочному виморожуванні з рециклінгом льоду;

розроблено комп`ютерну програму розрахунку кріоконцентраторів блочного типу з рециклінгом льоду, що заснована на нових наукових результатах автора в області кінетики взаємодії розчину харчового продукту, блока льоду та типа системи охолодження;

випробування пілотного зразка підтвердило, що розв`язання проблеми зниження енергоспоживання при блочному виморожуванні досягнуте; розроблену пілотну установку впроваджено в учбовий процес, а її дослідно-промисловий зразок багатофункціонального блочного виморожувача пройшов стадію проектування та його виробництво здійснюється на АТ "Оріон".

Особистий внесок здобувача полягає у формулюванні і доказі наукових положень дисертації, розробці моделей при кріоконцентруванні рідких харчових продуктів, пропозиціях за постановкою і методиками комплексних експериментальних досліджень, проведенні дослідів, аналізі й узагальненні результатів досліджень, виступах з доповідями на конференціях, публікації одержаних результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися та отримали позитивну оцінку на 58-60 наукових конференціях ОДАХТ (м.Одеса, 1998-2000 р.р.), на Міжнародній конференції “Проблеми і перспективи розвитку виробництва і споживання хлібопродуктів”, (м. Одеса, 1997р.), на ХV11 Міжнародній конференції “Process engineering in prevention of environment” (Opole, Poland, 1999), Х міжнародній конференції “Вдосконалення процесів та апаратів хімічних та харчових виробництв” (ІССЕ-99) (м. Львів, 1999р.), Науково-практичній конференції “Пути повышения эффективности хранения и переработки сельскохозяйственной продукции” (м. Одеса, 1999 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми та перспективи створення і впровадження нових ресурсо- та енергоощадних технологій, обладнання в галузях харчової і переробної промисловості” (м. Київ, 2000 р.), 1V Мінському міжнародному форумі “Тепломассообмен ММФ-2000” (м. Мінськ, 2000 р.).

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 11 наукових праць, у тому числі: 6 - в наукових працях, 1 - рішення на видачу патенту на винахід, 4 - в тезах наукових конференцій.

Структура і об`єм роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних літературних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації - 152 сторінки, включає 49 рисунків (29 стор.), 5 таблиць (3 стор.), 2 додатки (8 стор.). Список використаних бібліографічних джерел включає 147 найменувань (14 стор.).



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, наукові положення, показано наукову новизну та практичне значення одержаних результатів.

В першому розділі надано огляд сучасних технологій концентрування: випаровування, мембранних технологій, виморожування, їх недоліки та переваги. Показано, що низькотемпературні методи мають значні переваги порівняно з іншими з точки зору якості отриманих концентратів. Проведено аналіз тенденцій подальшого вдосконалення методів кріоконцентрування. Показано, що найбільш привабливим є метод блочного виморожування, основні характеристики якого свідчать, що він не тільки дозволяє отримати продукт високої якості, але й значно знизити рівень енергоспоживання порівняно з іншими сучасними технологіями. Розглянуто та проаналізовано існуючі методи розрахунку та моделювання основних сучасних технологій виморожування.

Наведено необхідність розробки нового методу моделювання та розрахунку концентрування способом блочного виморожування на підставі сумісного розгляду та доповнення розглянутих методів. Сформульовано задачі досліджень для створення удосконалених методів розрахунку процесів концентрування при блочному виморожуванні.

У другому розділі розроблено методику та розглянуто методи досліджень. Аналітичними методами отримано термодінамичну модель етапів виморожування та модель холодильної установки з рециклінгом льоду. Аналіз запропонованого рішення проведено за допомогою параметричної схеми (рис. 1). Показано, що ключовим при розрахунку схеми є процес формування блоку льоду, який визначається як кінетикой тепломасопереносу із розчину, так і термодінамічними (холодильний коефіцієнт з, тиск Р₀) та теплотехнічними характеристиками холодильної машини. Не можливо встановити вплив Q₀, N_э, конструктивних особливостей кристалізатору (діаметру d, висоти H), вихідних параметрів розчину (X_н, t_н), та льоду (об`єму V_л, пористості е) на кінцеві характеристики концентрату (Х_к, С_к/С_н). Все це потребує системного підходу. Рис.1. Структурно-параметрична схема процесу блочного виморожування з рециклінгом льоду.

Термодинамічна модель процесу має три визначні етапи: 1) на початку процесу - система містить 3 елемента: холодильний агент, розчин, які мають вигляд суцільної системи, та стінка кристілізатора, що їх розділює; 2) в проміжному стані системи - розчин, який розподілюється на тверду фазу, що відокремлена від нього дифузійним приграничним шаром; 3) напрікінці процесу - розчин майже зникає з системи, і гідродинамічні умови здійснення процесу виморожування істотно змінюються за рахунок конвекції в стислих умовах, що є специфічним тільки для блочного виморожування. Але їх різка зміна не враховується відомими методами розрахунку, які коректні тільки для етапів 1 і 2. Таким чином, термодинамічна модель процесу рециклінгу льоду (рис.2а) враховує ступіневу конденсацію холодильного агенту: Q_к1 - в штатному конденсаторі та Q_к2 - в конденсаторі-плавителі, де здійснюється плавлення льоду з попереднього циклу з температурою плавлення Т_пл. Отримано модель розрахунку режимів роботи виморожувальної установки з рециклінгом льоду.

Оскільки теплове навантаження на штатний конденсатор дорівнює Q=кFи отримана залежність и` при рециклінгу льоду від умов здійснення попереднього холодильного циклу:

и` = и (l - Дl) q<sub>0</sub>/ q<sub>к</sub>q`₀ (1)

де и - напір температур при здійсненні базового холодильного циклу; и` - температурний напір при здійсненні рециклінгу льоду; q<sub>к</sub>,q`_к - питомі теплоти конденсації базового холодильного циклу та рециклінга льоду; q₀, q`₀ - питомі холодовидатності базового циклу та рециклінгу льоду (рис.2б).

Процеси тепломасопереносу моделюються за допомогою чотирьох рівнянь (для температури і концентрації твердої та рідкої фаз) теплопровідності з відповідними граничними умовами:

- для температури твердої фази

сС_V?t₁ /?ф =?/?r(л?t/?r) + л/r(?t/?r) + (?/?ц (л?t/?ц))/r² + ?/?z(л?t/?z) (2)

t₁ (r₀, ф) = t₀; t₁ (z, ф) = t_p(C₂ (z + 0, ф)); t₁ (r, 0) = t_p(C₀)

2) - для температури рідкої фази аналогічно (1);

3) оба рівняння теплопровідності доповнюються умовою Стефана

л?t (z - 0, ф) / ?r - б (t_р - t_ж) = сq?z /?ф (3)

- для концентрації рідкої фази

?С₂ /?ф = (D C₂ ) + (L₁₂ t₂ ); (4)

?С₂ (R, ф) / ?r = 0; С₂ (r, 0) = C₀; (С₂(z + 0,ф) - C₁(z - 0,ф))?z /?ф = D?C₂(z, ф) /?r (5)

де z - товщина шару, який закрісталізувався, ф - час процесу, r - радіус циліндру.

Cистема (2-5) є повною моделлю процесу кріоконцентрування з урахуванням перехресних ефектів Дюфо і Соре (феноменологічні коефіцієнти L). Ця система містить п`ять невідомих функцій, які беруть участь як у рівняннях тепломасопереносу, так і у граничних умовах, що наводить до нелинійності задачі. Окрім того, коефіцієнти теплопроводності л, щільність с і питома теплота льодоутворення q залежать від координат простору та часу, що потребує окремих досліджень. Тому подальше моделювання доцільно проводити за допомогою теорії подібності при наступних припущеннях:

тепломасоперенос здійснюється на поверхні в обмеженому просторі між непроникними стінками. Кристалізація в об`ємі відсутня;

процес відбувається в умовах природньої конвекції, яка викликана температурним градієнтом;

всі сухі речовини розчину розглядаються як один компонент з відомими теплофізичними властивостями;

задача розглядається для визначеного відрізку часа, в якому діють середні значення температур та концентрацій;

розчин в початковий момент часу знаходиться при температурі фазового переходу, тобто t_ж =t_S при ф = ф₀ ;

температура поверхні льоду визначається кріоскопічними умовами t_л=t_S ;

зміна ентальпії твердої фази незначна порівняно з прихованою теплотою кристалізації С_рл (t_S - t_?) ‹‹ ?.

Загальне рівняння теплового балансу має вигляд

Q = С_рp V_р с_р ( ?t / ?ф ) + ? F_л ( ?r_л / ?ф ) + Q_пот (6)

З урахуванням наведених припущень для безрозмірної координати

х = ( r_л - r_и )/( r_к - r_и )

визначається безрозмірний час наморожування

F₀ = ( Ph / 2 (n+1)) (1 + 2/ Bi_т ),

де Bi_т - число Біо теплове,



Bi_т = б_х r_т (ln (r_к / r_т ) / л_к + ln (r_л / r_к ) / л_л ) (7)

Рh - число фазового переходу;

Рh= с_ж?/ с_л С_рл(t_ж - t_s) (8)

n - константа, яка характеризує форму блоку льоду, для циліндра n = 1; б_х - коефіцієнт тепловіддачи від холодоагента до стінки кристалізатора, Вт/(м²К); r_т - внутрішній радіус стінки кристалізатора, м; r_к - зовнішний радіус концентратора, м; r_л - радіус блоку льоду, м; л_к - теплопровідність стінки кристалізатора, Вт/(мК); л_л - теплопровідність блоку льоду, Вт/(мК); с_ж, с_л - густина розчину та льоду, кг/м³; ? - питома теплота кристалізації, Дж/кг; С_рл С_рл - теплоємність блоку льоду, Дж/(кгК).

Наведена модель добре відображає теплове становище системи (якого не було в існуючих моделях), але не враховує особливостей масопереносу на границі "лід-розчин" при концентруванні харчових рідин, які є складними багатокомпонентними системами. Тому для визначення дійсного часу кристалізації її треба доповнити додатковим коефіцієнтом, який би враховував вказані недоліки. З урахуванням зміни ентальпії твердої фази та особливостей масопереносу на границі "лід-розчин" дійсний час процесу становить

ф = ф₀ Ш₁ Ш₂ (9)

де Ш₁ - коефіцієнт, який враховує зміну ентальпії твердої фази:

Ш₁ = 1 + 1/2 (Ві_т /(Ві_т + 1))^2/3 ( v1 + (2F_л r_л / V_л) / Ph - 1); (10)



де F_л - площа поверхні блоку льоду, м²; V_л - об`єм блоку льоду, м³;

Ш₂ - коефіцієнт, який враховує специфіку масообмінних процесів, що відбуваються при блочному виморожуванні

Ш₂ = А (Ві_д)^к; (11)

Ві_д - число біо дифузійне

Ві_д = в r_т ln (r_л/ r_к) / D (12)

де в - коефіцієнт інтенсивності масопереносу від розчину до блоку льоду, м/с²; D - коефіцієнт дифузії, м/с² .

Оскільки існуючи методи розрахунку процесів блочного виморожування не враховували особливості теплообмінних процесів при виморожуванні, результати отриманих критеріальних рівнянь мають похибку, яка зростає з часом процеса. Раніше визначалась необхідність урахування умов стислості при масопереносі на останньому етапі виморожування. З безрозмірним комплексом (d_u/h_л) в відомих критеріальних рівняннях можна погодитись лише для перших етапів виморожування, але він не враховує специфіку останнього етапу, на якому здійснюються найбільш значні зміни в системі. Оскільки головним параметром, який відображає стан системи в таких умовах, є товщина кільцевого зазору між стінкою концентратору та блоком льоду, то запропоновано модифікований параметр "К", який замість діаметру кристалізатору містить товщину кільцевого зазору

Дr = r_с - r_л.



Таким чином, в результаті моделювання процесів блочного виморожування встановлені основні напрямки експериментальних досліджень.

У третьому розділі наведено результати розрахунково-експериментальних досліджень процесів блочного виморожування з рециклінгом льоду. Характеристика об`єму дослідів наведена у табл.1. Описано експериментальні установки для визначення впливу конструктивних параметрів кристалізації на тепломасоперенос при блочному виморожуванні та рециклінгу блоку льоду на енергетичні показники виморожувальної установки.

Таблиця 1. Характеристика об`єму експериментальних досліджень

Параметр	Позначення	Діапазон вимірювання
Температура навколишнього середовища, ?С	tс	(+8) - (+20)
Температура кипіння хладагенту, ?С	tо	(-5) - (-20)
Температура розчину, ?С	tр	0 - (+5)
Час процесу, с	ф	1800 - 14400
Концентрація розчину, %	Ср	7 - 20

Вирішення задачі тепломасопереносу при блочному виморожуванні потребує знання деяких теплофізичних характеристик. На підставі аналітичних викладок, літературних даних та експериментальних досліджень отримано залежності для визначення коефіцієнтів об`ємного розширення молочної сироватки

г = 0,24 / (1061 - 0,24t + 4,12С) (13)

де t - температура розчину, ?С; С - його концентрація, %.

Для підтвердження адекватності отриманої моделі проведені експериментальні дослідження, які виконувались відповідно до розробленої методики. Досліди проводили на двох експериментальних установках.

Експериментальні дослідження кінетики льодоутворення показали, що швидкість росту блоку льоду залежить від температурного режиму виморожування, конструктивних параметрів кристалізатора та умов тепловіддачи між холодоносієм та стінкою кристалізатора. Зниження інтенсивності тепловіддачи в системі лід-холодоносій в 3 рази, яка обусловлена переходом від кипіння холодоагенту до системи з однофазним проміжним холодоносієм, зменшує швидкість виморожування в 1,3 рази при постійній температурі поверхні кристалізації (рис.3).

В результаті експериментальних досліджень по впливу конструктивних особливостей кристалізатора на процеси тепломасопереносу при блочному виморожуванні встановлено, що при верхньому положенні кристалізатора блок льоду зростає швидче, ніж при нижньому положенні (рис. 4). Окрім цього, для одного й того ж часу проведення процесу при верхньому положенні кристалізатора зменшуються втрати неводних компонентів з блоком льоду і досягається більша ступінь концентрування розчину (рис.5, 6). З рис.6 видно, що положення кристалізатора впливає не тільки на втрати продукту з блоком льоду, а і на швидкість їх зростання. Так, для нижнього положення (лінія 1) швидкість зростання втрат неводних компонентів з часом процесу перевищує швидкість зростання цих втрат для верхнього положення (лінія 3) кристалізатора, яка уздовж усього часу процесу залишається майже постійною.

Самостійною проблемою було вивчення впливу рециклінгу льоду на показники виморожувальної установки. Експериментальні досліди проводили на установці принципову схему якої наведено на рис. 7. Визначали витрати енергії, температури у вузлових точках холодильної установки, параметри блоку льоду і розчину.

В результаті експерименту встановлено, що при здійсненні рециклінгу льоду температура конденсації знижується на 9 - 12 ?С порівняно з базовим циклом (рис. 8), а питома холодовидатність зростає на 10-18%. Вивчення параметрів енергоспоживання установки показало, що при здійсненні рециклінгу льоду енерговитрати на процес блочного виморожування зменшуються в 1,2-1,4 рази (рис.9).

Добре узгодження всіх даних дослідів досягається при використанні модифікованого параметричного комплексу К, що ілюструється рис.10. Задовільне узгодження експериментальних даних із моделлю (6-13) свідчить, що запропоновані гипотези коректні. Результати математичної обробки масиву експериментальних даних дозволяють рекомендувати наступне критеріальне рівняння

Sh = 0,41Ra^0,31 (Sc / Pr)^1/3((r_к - r_л) / h_л)^0,21 (14)

ф = 0,75ф₀ ш₁ (Віо_д)^0,1 (15)

для розрахунку часу наморожування льоду на поверхні стрижневих кристалізаторів при блочному виморожуванні молочної сироватки. Ці рівняння, а також залежность (1) покладені до основи методики розрахунку процесів блочного виморожування.

У четвертому розділі наведена інженерна методика розрахунку у виді узагальненої структури і набору блок-схем для розрахунку самостійних етапів: теплофізичних властивостей, фазових рівноваг, кінетики масопереносу, часу наморожування та холодильної машини з рециклінгом льоду. Таке уявлення етапів розрахунку у вигляді окремих модулів є зручним для формування розрахункового алгоритму. На підставі запропонованих модулів складений алгоритм перевірочного розрахунку (рис.12). Ключовим моментом у методиці розрахунку є узагальнена критеріальна залежність (10) та рівняння (15).

У п`ятому розділі на підставі розробленого алгорітму розраховано і зібрано пілотну установку та проведено її випробування. Порівняння результатів випробувань з розрахунками за наведеною моделлю показано на рис. 11, де 1 - залежність для ідеалізованого часу процесу; 2 - залежність для часу процесу з урахуванням ш₁; 3 - час процесу з урахуванням ш₁, ш₂, 4 - результати випробувань. Таким чином, введення додаткового поправкового коефіцієнту ш₂ дозволяє знизити загальну похибку розрахунків за співвідношеннями (14-15) до рівню 5%. При цьому похибка основного технологічного параметру - концентрації сироватки, наприкінці процесу виморожування, знаходиться у межах 10%. Точність розрахунку енергоспоживання установки 15%. Це підтверджує коректність запропонованої методики.

Проведено порівняння ефективності запропонованих рішень відносно до існуючих методів концентрування. Оскільки при здійсненні випаровування і кріоконцентрування використовують якісно неоднакові види енергії, аналіз проведено за допомогою ексергетичного методу.

При цьому отримані залежності витрат ексергії на здійснення випаровування, блочного виморожування з рециклінгом льоду та без нього від температури навколишнього середовища (рис.13).

Із збільшенням температури навколишнього середовища витрати ексергії на випаровування знижуються (рис.13), а на кріоконцентрування - зростають, але останні лишаються менше витрат ексергії на випаровування в досить широкому діапазоні зміни температур навколишнього середовища. За отриманими результатами були досліджені ступені ексергетичної ефективності методів блочного виморожування першого та другого поколіннь відносно до випаровування (рис.14).

За результатами випробувань розроблено проект багатофункціонального блочного виморожувача МБВ - 1, який може бути використан для вирішення наступних задач: концентрування соків, екстрактів, молочних продуктів, віноматеріалів, пива і т.п. до вмісту сухих речовин 35-50 %; отримання рідких (до 40 % сухих речовин) натуральних харчових барвників, ароматизаторів, купажів; дистиляція водопровідної води; опріснення солевих розчинів та морської води; очищення сточних вод підприємств; виробництво талої, біологічно активної води. Принципову схему агрегату наведено на рис.7. Технічні характеристики агрегату: видатність по льоду 1000 кг на добу. Потужність електроприводу 2,5 кВт.

Для оптимізації процесу блочного виморожування з рециклінгом льоду був проведен компьютерний експеримент. Оскільки основним критерієм ефективності запропонованої технології, окрім якості отриманого продукту, є енергетичні витрати на здійснення процесу розділення, то в якості цільової функції були обрані питомі витрати електроенергії, необхідні для видалення 1000 кг льоду з розчину (J, кВтгод / 1000 кг).

Аналіз отриманих залежностей (рис.15) показав, що для кожної початкової концентрації розчину існує свій локальний мінімум, при чому при відхиленні температури кипіння від оптімального значення в сторону її збільшення питомі енерговитрати різко зростають та асимптотично наближуються до безконечності в точках, відповідних до кріоскопічних умов системи в початковий момент часу. При збільшенні початкової концентрації розчину з 7 до 20 % значення оптимальної температури кипіння холодільного агенту знижується у 2 рази і зростають відповідні їм значення питомих енерговитрат (рис.15).

Отримані залежності питомих енерговитрат від часу процесу (рис.16) показали, що для усіх температур навколишнього середовища графіки J = f (ф) мають локальний мінімум при ф = 2 год. При ф більше двох годин J зростає швидше, ніж при ф менше двох годин. Оскільки в межах 0 ‹ ф ‹ 2 год мінімум має розмитий характер, то можна рекомендувати значення ф = 1,5 - 2 год. Проект агрегату МБВ - 1 прийнятий до виробництва на АТ "Машинобудівне виробниче об`єднання "Оріон".

Економічна ефективність агрегату МБВ - 1, в залежності від його функціонального призначення, становить 42-55 грн/т.



ВИСНОВКИ

Проведений комплекс аналітичних і експериментальних досліджень підтвердив справедливість наукового положення, що зображення процесів блочного виморожування у вигляді системи "холодильна машина-блок льоду-розчин", при зміні структури продукту (однофазна-трифазна-двофазна), дозволяє урахувати специфіку комбінованих процесів формування твердої фази та гідродинамічну ситуацію, що змінюється, за рахунок термодинамічних параметрів циклу холодильної машини і співвідношення теплового та дифузійного чисел Біо.

Управління градієнтами гравітаційного та дифузійних полей за рахунок тільки орієнтації кристалізатора дозволяє інтенсифікувати кінетику масопереноса на 10% (рис.4). Верхнє розташування кристалізатора при блочному виморожуванні дозволяє зменшити пористість блоку льоду в 1,3 рази (рис.5) та втрати сухих речовин з льодом на 30% (рис.6).

Вплив гідродинамічної ситуації в концентраторі враховується відношенням товщини радіального зазору, між стінкою концентратору та блоком льоду, до висоти блоку льоду. Тому використання в параметричному комплексі "К", в якості визначального параметра, товщини радіального зазору між блоком льоду та стінкой концентратора (замість діаметра кристалізатора) зменшує похибку розрахунків коефіцієнту масовіддачи (10) в 1,5 рази.

Використання поправкового коефіцієнта Ш₁, який враховує зміну ентальпії твердої фази, зменшує відносну похибку розрахунків кінетики кристалізації на 10%.

5. Використання поправкового коефіцієнту Ш₂, який враховує особливості масопереносу на границі "лід-розчин" дозволяє знизити похибку розрахунків основних технологічних параметрів процесу блочного виморожування до 3 %, порівняно з 10% для існуючих методів розрахунку ціх процесів.

Визначальний вплив на режим роботи генератору холода з рециклінгом льоду мають параметри циклу базової холодильної машини (1). Енергоспоживання при здійсненні рециклінгу льоду зменшується на 15-30%.

7. На підставі ексергетичного аналізу існуючих способів концентрування встановлено, що, для умов України, витрати ексергії при блочному виморожуванні з рециклінгом льоду в 2,1-3,5 рази нижчі, ніж при традиційному випаровуванні.

Раціональними режимами блочного виморожування з рециклінгом льоду для молочної сироватки є триступеневе концентрування з температурами поверхні кристалізатора на першому ступені -10 ?С, на другому -15 ?С, на третьому -20 ?С. Тривалість процесу виморожування на кожному ступені 2 години (рис.13, 14).

9. Розроблену пілотну установку впроваджено в учбовий процес, а її дослідно-промисловий зразок багатофункціонального блочного виморожувача пройшов стадію проектування та його виробництво здійснюється на АТ "Оріон". Економічна ефективність від впровадження установки в залежності від її функціонального призначення становить 42-55 грн/т, порівняно з класичними технологіями кріоконцентрування.



ПЕРЕЛІК РОБІТ, ЩО ОПУБЛІКОВАНІ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Бурдо О.Г., Коваленко О.О., Мілінчук С.І. Енергозбереження в холодильних технологіях//Зб. наук. пр. - Одеса: ОДАХТ. - 1999. - Вип. 19. - С.258-263.

2. Захаров М.Д., Бурдо О.Г., Зиков О.В., Мілінчук С.І. Новітні теплотехнології в харчових виробництвах /Вісник державного університету "Львівська політехніка": "Проблеми економії енергії", № 2. - Львів, 1999. - С.129-132.

3. Бурдо О.Г., Мілінчук С.І., Коваленко О.О. Моделювання процесів тепломасопереносу при блочному виморожуванні /Зб. наук. пр. - Одеса: ОДАХТ. 1999. - Вип. 20. - С.214-218.

4. Низкотемпературная технология переработки сельскохозяйственного сырья /Е.А. Коваленко, А.К. Бурдо, В.П. Мордынский, С.И. Милинчук //Сб. науч. ст. ОЦНТИ: Пути повышения эффективности хранения и переработки сельскохозяйственной продукции. - Одесса, 1999. - С.84-88.

5. Рішення про видачу патенту на винахід за реєстраційним номером заявки 99094963, МПК 7 А23L2/08. Спосіб концентрування рідких харчових продуктів/ Бурдо О.Г., Светличний П.І., Мілінчук С.І., Заявлено 07.09.99. Дата прийняття рішення 19.01.2001.

6. Коваленко О.О., Бурдо А.К., Мілінчук С.І. Технологія та обладнання для виробництва рідких харчових кріоконцентратів //Матеріали конференції "Проблеми та перспективи створення і впровадження нових ресурсо- та енергоощадних технологій, обладнання в галузях харчової і переробної промисловості". - Київ: УДУХТ. - Ч.1. - 2000. - С. 71.

7. Бурдо О.Г., Милинчук С.И., Коваленко Е.А. Сопряженный тепломассоперенос при кристаллизации из пищевых растворов //1V Минский международный форум, т.5. - Минск: АНК "Институт тепло- и массообмена ИМ А.В. Лыкова" НАНБ. - 2000. - С. 399-408.

8. Гулиев Р.Р., Милинчук С.И., Терземан Е.Ф., Бурдо О.Г. Снижение энергопотребления при разделении гетерогенных систем вымораживанием // Зб. наук. пр. "Проблеми та перспективи розвитку виробництва та споживання хлібопродуктів", т. 6. - Одеса: ОДАХТ. - 1997. - С. 35-37.

9. Бурдо О., Коваленко О., Мілінчук С., Бурдо А. Кріоконцентрування в харчових технологіях // Тези доповідей Х міжнародної конференції "Вдосконалення процесів та апаратів хімічних та харчових виробництв" (ІССЕ - 99). - Львів: Державний університет "Львівська політехніка". - 1999. - С. 102.

10. Захаров Н.Д., Бурдо О.Г., Зыков А.В., Милинчук С.И. Приоритетные направления энергозбережения в пищевых теплотехнологиях // Тезисы докладов международной научно-практической конференции "Региональные проблемы энергосбережения в производстве и потреблении энергии". - Киев, 1999. - С. 99-100.

11. Бурдо О.Г., Терзиев В.Г., Зыков А.В., Милинчук С.И. Пути решения проблем энергетики и экологии в пищевых технологиях // Materialy XV11 Miedzynarodowa Konferencia Naukowa "Inzynieria procesowa w ochronie srodowiska". - Opole: Otmuchow, 1999. - P. 33 - 36.

Размещено на Allbest.ru

...