Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

MATHEMATICAL MODEL OF PROCESS OF HEAT EXCHANGE IN THE SMOKE GENERATOR BETWEEN GAS, THE NOZZLE AND MATERIAL IN THE DRUM

Shakhov S.V. 1 Maltseva O.V. 1 Sukharev I.N. 1 Shubkin S.Yu. 1
1 FSBEI HPE "Voronezh state university of engineering technologies"
Dymogeneration, or receiving a technological koptilny smoke, consists in incomplete burning of wood (sawdust, shaving or specially prepared fuel) at small access of air and at a certain temperature. Now the majority the koptilnykh of installations are equipped with the smoke generators centralized by smoking sources which degree of perfection fluctuates considerably from automatic to handicraft, absolutely nonmechanized. Application of mechanical smoke generators allows to regulate process of receiving a koptilny smoke and does smoking process more operated. Receiving a smoke creates in the centralized way conditions for its conditioning and receiving air-flue mix with set by parameters temperature, density, relative humidity. Technological properties of a koptilny smoke are defined by such factors as temperature, humidity, a chemical composition, dispersion and concentration or optical density. Temperature of the smoke coming to the koptilny camera depends on a way of smoking, and also on type of a smoke generator in which it is received. The majority of smoke generators allows to receive a koptilny smoke too cold for smoke-cured and too hot for cold smoking. Therefore before the direction in the camera depending on a way of smoking the received smoke is exposed to dilution by hot or cold air respectively. Intensity of sorption and diffusion of components of the koptilny environment when smoking considerably depends on concentration the koptilnykh of components in the environment, their partsialnykh of pressure, and also on humidity of the environment and speed of its movement.
equation of thermal balance.
thermal stream
thermolysis coefficient
pyrolysis of sawdust
air-flue mix
smoke generator
В последние годы возрос интерес исследователей к копченым изделиям. В процессе производства копченых изделий важную роль играет получение дымовоздушной смеси при помощи дымогенератора. При помощи дымовоздушной смеси можно изменить вкус и аромат продукции, что обеспечивает увеличение сроков хранения и расширение ассортимента продукции. Для правильного понимания сущности процесса и расчёта целевых технологических величин необходимо выполнить математическое моделирование процесса теплообмена в дымогенераторе между газом, насадкой и материалом в барабане[4].

Дымогенератор является барабанным аппаратом (рис.1), внутри которого перемещаются стальные шарики (насадки) и опилки. Стальные шарики (насадка) разогреваются магнитным полем индуктора, теплота от них передается опилкам (материалу) и обеспечивает их пиролиз.

Рис. 1. Расчетная схема дымогенератора:

1 - загрузочный патрубок, 2 - барабан, 3 - древесные опилки, 4 – стальные шарики (насадки), 5 – транспортное устройство, 6 - разгрузочный бункер, 7 – патрубок отвода влажной воздушной смеси, 8 – патрубок отвода дыма, 9 - патрубок удаления золы.

 

Аппарат работает в непрерывном режиме, опилки в левой части непрерывно подаются через загрузочный патрубок. Твердый остаток, образующийся в результате пиролиза опилок, выводится в правой части аппарата в разгрузочный бункер, а далее через патрубок удаления золы. С помощью специального транспортного устройства, расположенного в центральной части аппарата, осуществляется рециркуляция стальных шариков насадки [1; 3].

В слой насадки и материала через распределительное устройство подается обогащенная азотом воздушная смесь, которая предварительно приготавливается методом ультрафильтрации. Смесь имеет пониженное содержание кислорода во избежание сгорания опилок.

По длине аппарата устройство можно разделить на 5 зон.

В зоне 1 происходит нагревание опилок от начальной (комнатной) температуры до температуры кипения воды в опилках (100 °С).

В зоне 2  осуществляется удаление влаги из опилок. Температура опилок здесь изменяется несущественно и примерно равно 100÷120·°С.

В зоне 3 осуществляется подогрев обезвоженных опилок до температуры начала пиролиза.

В зоне 4 осуществляются основные процессы пиролиза опилок: образование, испарение и возгонка основного количества продуктов разложения древесины. Эти процессы протекают в интервале температур от 270 до 450 ÷500 °С [1; 2;4]. В процессе пиролиза выделяется теплота в количестве 1÷1,25 МДж/кг. Масса твердого остатка в конце пиролиза составляет примерно 1/3 от начальной массы опилок.

Зона 5 служит для прокаливания твердого остатка при температуре не выше 550÷560 °С.

Материалы и методы

Все процессы, протекающие в аппарате, кроме процесса пиролиза, требуют подвода теплоты. В процессе пиролиза теплота выделяется. Это приводит к разогреву материала и насадки. Рециркуляция насадки позволяет полезно использовать теплоту пиролиза опилок на более ранних стадиях в зонах 1-3 [2].

Зона 1 – нагревание материала до температуры кипения воды. Выделим элемент слоя dx·h·l и составим уравнение теплового баланса для материала (рис. 2)

cм·Gм·dθм = αнм·(θн– θм)l·h·fн·dx -  ,                      (1)

где cм, ,cг – теплоемкости материала и газа; θм, ,θн–температуры материала и насадки;
αнм – коэффициент теплоотдачи от насадки к материалу.

Рис.2. Расчетная схема слоя дисперсного материала и насадки.

 

С учетом сделанных оценок ()из (1) следует:

                     (2)

Коэффициент теплоотдачи от продуваемого материала к поверхности частиц насадки определяется из критериального уравнения [3]

Nu=0,31 · Re0,5·,                                                     (3)

гдеRe =,Nu =

Уравнение теплового баланса для насадки:

cн·Gн·dθн = - αнм·(θн – θм)l·h·fн·dx+qv·l·h (1- εн)dx  ,                       (4)

где qv– внутреннее тепловыделение на 1м3 материала насадки.

qv= ,                                                           (5)

где Qмаг– тепловой поток, выделяемый насадкой в результате воздействия на нее магнитного поля индукционной системы.

Из (4) с учетом (5) следует:

                           (6)

Начальная температура материала принимается равной комнатной (θм(0) ≈ 20 °С), начальная температура насадки должна равняться ее конечному значению на выходе из барабана. Определяется начальная температура методом последовательных приближений.

Зона 2 – обезвоживание материала.

В зоне 2 температура материала примерно равна температуре кипения воды (θм= θмк ≈ 100°С).

Уравнение теплового баланса здесь получим из (6) подстановкой θм= θмк

                        (7)

Второе уравнение запишем для влажности материала:

,              (8)

где r – теплота парообразования воды; W - абсолютная влажность материала (на 1 кг сухого материала)

                            (9)

Зона 3 – нагревание материала от температуры обезвоживания материала до температуры начала пиролиза.

Процесс в данной зоне описывается уравнениями (3) и (6), т.к. он практически не отличается от процесса в зоне 1. Отличными от зоны 1 будут только начальные температуры материала и насадки [6].

Зона 4 - пиролиз материала.

При достижении температуры θм = 270 °С начинается активный пиролиз опилок, который сопровождается бурным выделением тепла. Теплота пиролиза материала равна 1,0…1,2 МДж/кг [2].

В данном процессе температура материала резко увеличивается вследствие выделения теплоты пиролиза и температуры материала.

Уравнение теплового баланса в данной зоне отличается от (1) наличием дополнительного слагаемого, учитывающего теплоту пиролиз материала:

,      (10)

где - средний расход материала в зоне пиролиза; ΔGм - потеря массы твердого материала вследствие выделения газов при пиролизе; qп - теплота пиролиза; Lп- длина зоны пиролиза.

Конечный расход твердой фазы в зоне пиролиза равен:

,                                                         (11)

где - массовая доля твердого остатка процесса пиролиза опилок.

В уравнении (2) необходимо подставлять среднее значение для массового расхода материала:

                                                      (12)

Или с учетом (11):

                                                   (13)

                                                           (14)

С учетом (11) получим

                                                      (15)

Длина зоны пиролиза материала равна

,                                                       (16)

где  – время пиролиза;  – скорость движения материала.

                                (17)

С учетом (13 – 17) из уравнения (10) следует

   (18)

Распределение температуры в насадке описывается уравнением (19).

Зона 5 - прокаливание твердого остатка.

Поскольку газовыделение здесь незначительно, можно считать, что расход твердой фазы материала не изменяется и равен [5].

С учетом этого обстоятельства уравнение теплового баланса (2) здесь приобретает вид:

(19)

Распределение температуры насадки по длине зоны описывается уравнением (6).

Результаты и обсуждение

Таким образом, из анализа математической модели процесса теплообмена в дымогенераторе между газом, насадкой и материалом в барабане можно сделать следующие выводы.

1. Тепловой поток от рециркулирующих насадок к газу пренебрежимо мал по сравнению с тепловым потоком от частиц к газу. Это объясняется большим отличием удельных поверхностей частиц материала.

2. Температура газа на выходе из слоя практически равна температуре материала (опилок) в данном сечении барабана, то есть теплообмен между газом и материалом полностью заканчивается внутри слоя.

3. Начальная температура материала равнакомнатной.

4.Начальная температура насадки равняется ее конечному значению на выходе из барабана.

5. Расход твердой фазы материала не изменяется и равен .

Рецензенты:

Глотова И.А., д.т.н., профессор, заведующая кафедрой технологии переработки животноводческой продукции ФГОУ ВПО «Воронежский ГАУ», г.Воронеж;

Алексеев Г.В., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой процессов и аппаратов пищевых производств университета ИТМО, г. Воронеж.