Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА В ДЫМОГЕНЕРАТОРЕ МЕЖДУ ГАЗОМ, НАСАДКОЙ И МАТЕРИАЛОМ В БАРАБАНЕ

Шахов С.В. 1 Мальцева О.В. 1 Сухарев И.Н. 1 Шубкин С.Ю. 1
1 ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный университет инженерных технологий"
Дымогенерация, или получение технологического коптильного дыма, заключается в неполном сжигании древесины (опилок, стружки или специально подготовленного топлива) при малом доступе воздуха и при определенной температуре. В настоящее время большинство коптильных установок оборудованы централизованными источниками дымообразования- дымогенераторами, степень совершенства которых колеблется в значительной мере от автоматических до кустарных, совершенно немеханизированных.Применение механическихдымогенераторов позволяет регулировать процесс получения коптильного дыма и делает процесс копчения более управляемым. Получение дыма централизованным способом создает условия для его кондиционирования и получения дымовоздушной смеси с заданными параметрами: температурой, плотностью, относительной влажностью. Технологические свойства коптильного дыма определяются такими факторами, как температура, влажность, химический состав, дисперсность и концентрация или оптическая плотность. Температура дыма, поступающего в коптильную камеру, зависит от способа копчения, а также от типа дымогенератора, в котором он получен. Большинство дымогенераторов позволяет получать коптильный дым слишком холодный для горячего копчения и слишком горячий для холодного копчения. Поэтому перед направлением в камеру в зависимости от способа копчения полученный дым подвергается разбавлению горячим или холодным воздухом соответственно. Интенсивность сорбции и диффузии компонентов коптильной среды при копчении в значительной мере зависит от концентрации коптильных компонентов в среде, их парциальных давлений, а также от влажности среды и скорости ее движения.
уравнение теплового баланса.
тепловой поток
коэффициент теплоотдачи
пиролиз опилок
дымовоздушная смесь
дымогенератор
1. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической промышленности. - М.:Химия, 1981. – 812с.
2. Гордон Л.В., Скворцов С.О., Лисов В.И. Технология и оборудование лесохимических производств. - М. : Лесная промышленность, 1988. – 360с.
3. Коверинский И.Н. Основы технологии химической переработки древесины. - М. : Лесная промышленность, 1984. – 184 с.
4. Кольцов И.С., Ткачев О.А., Шахов С.В., Сухарев И.Н., Шубкин С.Ю. Разработка лабораторной установки для насыщения продуктов ароматом дыма в осцилирующих режимах // Современные наукоемкие технологии. – 2014. – № 5 (часть 1). – С. 163-164.
5. Моисеева И.С., Шахов С.В. Моделирование процесса вакуум-сублимационного обезвоживания дисперсных пищевых сред с использованием инертного газа // Материалы XLVI отчетной научной конференции за 2007 год. - Воронеж, 2008. - Ч. 2. - С.8.
6. Пелеев А.И. Тепловое оборудование колбасного производства / А.И. Пелеев, А.М. Бражников, В.А. Гаврилова. – М. : Пищевая промышленность, 1970. – 384 с.
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.



Библиографическая ссылка

Шахов С.В., Мальцева О.В., Сухарев И.Н., Шубкин С.Ю. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА В ДЫМОГЕНЕРАТОРЕ МЕЖДУ ГАЗОМ, НАСАДКОЙ И МАТЕРИАЛОМ В БАРАБАНЕ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 1-2. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=20124 (дата обращения: 07.12.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074