Исследование температурного поля инфракрасных нагревательных систем для сушки пищевых продуктов

В настоящее время одной из основных задач, стоящих перед перерабатывающими отраслями агропромышленного комплекса, является усовершенствование интенсификации технологических процессов сушки различных продуктов, с целью сокращения продолжительности цикла изготовления продукта, улучшения его качества, повышения производительности труда и достижения наиболее рационального использования материала и энергетических ресурсов. Изыскание новых способов сушки и разработки конструкций аппаратов, для тепловой обработки, необходимо вести с учетом возможности интенсификации обработки и на этой основе обеспечить как повышения качества выпускаемой продукции, так и экономию энергетических затрат на изготовление единицы продукции. К примеру, изменение градиента температуры в материале является важной характеристикой процесса сушки капиллярно-пористых материалов.

За последние годы как у нас в России, так и за границей в различных 0 отраслях промышленности большое развитие получила тепловая обработка материалов инфракрасными излучателями (ИКИ). Применение инфракрасного излучения значительно интенсифицируют многие технологические процессы: сушку, выпечку, обжарку, полимеризацию и др., вследствие значительного увеличения плотности теплового потока на поверхности облучаемого материала (объекта нагрева) и проникновения инфракрасных лучей внутрь материала.

Способ обработки инфракрасными лучами применяется для поверхностной сушки лакокрасочных металлических и деревянных покрытий, а также при сушке в тонком слое сыпучих веществ или тонких бумажных, или текстильных и других материалов и пищевых продуктов. Лучистая тепловая энергия применяется также в тех случаях, где требуется удалить только поверхностную влагу или переместить ее внутрь изделия, например при сушке литейных форм.

При тепловой обработке инфракрасными лучами указанных материалов интенсивность испарения влаги по сравнению с конвективной или контактной сушкой увеличивается в десятки раз. Это объясняется тем, что количество тепла, которое можно передать материалу при радиационной обработке, значительно больше чем при конвекции. Однако в настоящее время отсутствует обобщение практических результатов и основных теоретических положений этого способа сушки.

Вопросам исследования сушки материалов с помощью ИКИ посвящено значительное число работ, в которых подробно описываются конструкции и излагаются приближенные методы расчета нагревательных систем РЖИ.

Приближенным методом расчета инфракрасных нагревательных систем является метод расчета теплообмена между серыми телами в диатермичной (прозрачной) среде. Основные расчеты температурного поля в указанных системах выполняются с привлечением громоздких интегро-дифференциальных уравнений, решение которых становится возможным только для некоторых частных случаев и то в результате допущений, приближений, часто снижающих практическую ценность решений. Более того, существенным недостатком приближенных расчетов является отсутствие аналитической связи между функциями температур и эффективных потоков с оптическими свойствами и с параметрами взаимного расположения элементов конструкции системы. Такая связь обычно выявляется при использовании приближенных расчетов симметричных или бесконечно протяженных континуальных систем, где температура, угловые коэффициенты, степени черноты задаются в параметрическом виде. Но, если для континуальных бесконечно протяженных или симметричных схем такой подход являются естественным, то для дискретных он не всегда допускается и во многих случаях приводит к существенным погрешностям.

В связи с этим поиски достаточно простых и надежных методов расчета температурного поля инфракрасных нагревательных систем с дискретно расположенными излучателями, свободных от указанных недостатков, представляется актуальными.

Цель настоящей работы является в разработке эффективной методики расчета температурного поля ИКИ и подбора режима радиационной сушки различных материалов, в частности, пищевых и сельскохозяйственных продуктов, и в экспериментальной проверке теоретических результатов и принятых в работе упрощающих предположений и допущений.

Для этой цели в работе проводится исследование теплового поля инфракрасных нагревательных систем с дискретно расположенными малоинерционными инфракрасными излучателями. Теоретическое исследование сложного теплообмена в системе ИКИ выполнено на основе вычислений локальных значений коэффициентов взаимного излучения с привлечением метода последовательного приближении для искомых функций эффективного излучения, определяющими уравнениями которых является система интегральных уравнений Фредгольма второго рода относительно функций эффективного излучения.

Уравнения получены при следующих предположениях: теплообмен происходит между серыми теламираспределения собственного излучения по направлениям подчиняется закону Ламбертарадиационные свойства поверхностей не зависят от частоты излучениясредняя поверхность расположения ИКИ является полупрозрачным энергетическим экраном с коэффициентом затенения, равным отношению поперечного размера излучателя к шагу расположения излучателей.

Все полученные в работе решения имеют замкнутый алгоритм, на основе которого разработана и отлажена комплексная программа расчета на ЭВМ. f* Охватывают довольно широкий класс двумерных и трехмерных задач расчета теплообмена между произвольно ориентированными друг к другу элементами конструкций теплообменных аппаратов с ИКИ, применяемых в различных отраслях промышленности и в научно-исследовательских лабораториях. Проведено сравнение результата счета с результатом решения аналогичной задачи другими исследователями, где рассматривается теплообмен между двумя параллельными поверхностями в симметричной системе с бесконечной протяженностью в третьем направлении.

Сравнение показало, что искомая функция эффективного потока излучения по всей области ее изменения с точностью третьего порядка совпадает с решением вариационным методом. Составлена программа расчета на ЭВМ системы линейных и нелинейных интегральных уравнений с применением метода итерации.

Результаты работы могут быть использованы в процессах разработки и эксплуатации малоинерционных инфракрасных нагревательных устройств, предназначенных для термической обработки как пищевых, так и других изделий (лакокрасочных покрытий, кожи, ткани, систем отопления и т. д.) и испытаний элементов конструкций при тепловом ударе.

На защиту выносятся'.

— результаты исследования температурного поля инфракрасной нагревательной системы с дискретно расположенными излучателями.

— методика расчета лучистого теплообмена в системе с ИКИ.

— программа численного решения на ЭВМ системы интегральных уравнений Фредгольма второго рода.

— влияние конструктивных параметров объекта сушки, излучателей и отражательного экрана на температурное поле инфракрасной нагревательной системы.

— влияние свободной конвекции на температурное поле системы с ИКИ.

— скорость нагрева и удаления влаги в материале в виде односторонне теплоизолированной пластины с помощью малоинерционных инфракрасных излучателей.

— технология сушки абрикоса с осциллирующим подводом лучистой энергии в области инфракрасного излучения.

— результаты сравнения теоретических и экспериментальных исследований температурного поля нагревательной системы с инфракрасными излучателями.

Основные результаты, приведенные в диссертации, опубликованы в следующих работах:

1. Адамов З. Т. Упрощенный метод расчета систем с инфракрасными излучателями при нестационарном режиме работы. Сборник научных трудов. ДГТУ., Махачкала 2002 г.

2. Адамов З. Т. «Исследование режима работы инфракрасных нагревателей» «Динамика образовательных процессов и технико-технологический процесс на автомобильном транспорте и дорожном строительстве». Махачкала 2003 г.

3. Адамов Т. А., Мурадов М. С., Адамов З. Т. «Теплообмен в плоскопараллельной системе с дискретно расположенными инфракрасными излучателями (РЖИ). ВУЗ и АПК: Задачи, проблемы и пути решения / Сборник научных трудов межрегиональной юбилейной научно-практической конференции, посвященной 70-летию образования ДГСА/. Махачкала: ДГСА 2002, с. 487.

4. Адамов З. Т. Влияние свободной конвекции на поле излучения системы инфракрасного нагревателя Сборник трудов ТФ, ДГТУ, Махачкала 2002 г.

5. Адамов З. Т. К расчету лучистого теплообмена в системе тепловой обработки материалов с помощью инфракрасных излучателей. Научное обозрение: сборник статей ассоциации молодых ученых Дагестана Вып. 2 Махачкала 2004 г.

6. Адамов 3. Т. Теплообмен в плоской системе серых тел, в промежутке которых расположены инфракрасные излучатели. Научное обозрение: сборник статей ассоциации молодых ученых Дагестана Вып. 2 Махачкала 2004 г.

7. Адамов З. Т. Сборник тезисов, докладов 25-й научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов ДГТУ. Махачкала 2003 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.