Исследование процессов массо-и теплопереноса в различных средах под воздействием микроволнового излучения и разработка энергосберегающих микроволновых технологий и установок промышленного применения

2.1. Анализ изменения мощности нагрева при микроволновом вакуумном обезвоживании.40.

2.2. Разработка алгоритма процесса обезвоживания.49.

2.3. Разработка математической модели.58.

2.3.1. Описание объекта исследования и его физических характеристик.58.

2.3.2. Характеристика воздействия.60.

2.3.3. Уравнение непрерывности.69.

2.3.4. Уравнение теплопроводности.70.

2.3.5. Нормировка уравнения непрерывности.71.

2.3.6. Нормировка уравнения теплопроводности.72.

2.4. Результаты и выводы.73.

2.4.1. Анализ кривой сушки.73.

2.4.2. Анализ температуры поверхности вакуоли (клетки) на Ш участке кривой сушки.75.

2.4.3. Анализ нагрева микроволновым полем на III участке кривой сушки.76.

2.4.4. Интегральный анализ процесса испарения из пористого тела в вакууме.77.

2.4.5. Основные результаты главы 2.79.

Список литературы

главы 2.81.

Глава 3. Экспериментальное исследование.83.

Введение

83.

3.1. Блок управления МВУ «Муссон».84.

3.2. Программное обеспечение ПК.96.

3.3. Результаты и выводы.101.

Список литературы

главы 3.103.

Глава 4. Разработка установок.104.

Введение

104.

4.1. Требования к технологическому режиму.104.

4.2. Варианты построения микроволновых технологических установок. 106 ^ 4.2.1. Вакуумная камера.107.

4.2.2. Система рекуперации энергии.108.

4.2.3. Система возбуждения.109.

4.2.4. Вакуумные насосы, применяемые в технологических вакуумных установках.113.

4.2.5. Вакуумная система.116.

4.2.6. Система поддержания давления.119.

4.3. Расчет и выбор отдельных элементов.120.

4.3.1. Расчет и выбор насоса.120 и,.

4.3.2. Расчет системы охлаждения генераторов и блоков питания.124.

4.4. Варианты реальных установок.127.

4.5. Тестирование микроволновых технологических установок.131.

Список литературы

главы 4.133.

Заключение

135.

Приложения.137 V.

Обозначения принятые в диссертации т — масса [кг] р — плотность [кг/м3].

С — теплоемкость [Дж/(кг*К)].

Рт — мощность [Вт] р — давление [Па, мм. рт. ст.] - время [с] г —удельная теплота испарения воды [2,4*106 Дж/кг] квлажность влагосодержание.

0(Т) — коэффициент диффузии при температуре.

Т [м /с].

Т — температура [К].

7 — поток тепла [Дж/(м2*с)].

Q — плотность источников нагрева [Вт/м ] л — теплопроводность.

Вт/(м2*К)] со — частота микроволнового сигнала [рад/с] 0) вр — скорость вращения [рад/с] а — коэффициент теплопередачи от воздуха к продукту [Вт/(м *К)] б’г — действительная часть коэффициента диэлектрической проницаемости епг — мнимая часть коэффициента диэлектрической проницаемости 8 — глубина проникновения микроволновой мощности в материал [м].

— площадь [м2].

Индексы: effЪbch-/эффективный, (bound) связанный, химически связанный, (free) свободный, 6.

Поверхностный, се11- клетка, вакуоль,.

— символ усреднения,.

0- начальный, исходный, основной.

Vобъемный, н2оотносящийся к воде, относящийся к пару, тг — относящийся к воздуху, ргос1— относящийся к продукту, сеотносящийся ко льду, уарог- - относящийся к испарению,.

ИеШ — относящийся к нагреву.

Начало развития технологий, базирующихся на эффектах воздействия микроволнового излучения на различные вещества, относится к 1946 г, когда в условиях конверсии послевоенной радиотехнической промышленности в США были разработаны и выпущены на рынок первые бытовые микроволновые печи. В России работы в этой области, в частности по исследованию нетеплового воздействия микроволнового излучения микроволнового излучения на биологические объекты, были начаты в середине 60-х гт. Однако вплоть до последнего времени отдельные малочисленные проекты по разработке микроволновых технологий для гражданского применения не были приоритетными для отечественной промышленности, ориентированной в основном на решение задач военно-промышленного комплекса.

Внедрение микроволновых технологий в практику сдерживалось, во-первых, отсутствием моделей процессов, протекающих при воздействии микроволнового излучения на различные вещества, следствием чего было отсутствие алгоритмов и автоматизированных систем управления технологическим процессом, во-вторых, отсутствием методики проектирования микроволновых технологических установок.

С появлением дешевых источников микроволнового излучения — магнетронов и разработкой моделей микроволновых технологических процессов микроволновые технологии находят применение в таких приоритетных отраслях народного хозяйства, как пищевая, медицинская, фармацевтическая, целлюлозно-бумажная, в промышленности строительных материалов, в сельском хозяйстве, в горном деле и др. Появляются новые перспективные направления применения микроволновых технологий, в частности, по исследованию химического состава пищевых продуктов с целью определения содержания в них тяжелых металлов, в области микроволнового химического синтеза лекарственных средств широкого применения и их соединений, а так же в экологии — для очистки грунта от промышленных отходов. По результатам 8-ой Международной конференции по микроволновому и высокочастотному нагреву (8th International Conference on Microwave and High Frequency Heating, Bayreuth, Germany, 2001 г.) годовой рынок микроволновых технологических установок оценивается в более чем 500 миллионов долларов США.

Большую часть рынка применения микроволновых технологий составляют технологии, основанные на микроволновом нагреве, такие как нагрев, размораживание, обезвоживание. По сравнению с известными способами обезвоживания, основанными на нагреве продукта за счет конвекции, ик-излучения и т. п., процессы с применением микроволновой энергии обладают целым рядом принципиальных преимуществ:

1. Энергосбережение (микроволновый нагрев имеет высокий к.п.д. — не менее 70%, а также возможность использования вторичного тепла для сушки, тем самым, повышая общий к.п.д. процесса обезвоживания).

2. Температурный градиент направлен к поверхности, и таким образом температура внутри вещества больше, чем на поверхности, что создает внутреннее избыточное давление и позволяет ускорить процесс обезвоживания.

3. Внешние слои не иссушаются полностью, поверхность остается влагопроницаемой.

4. Нагрев воды и органического продукта происходит выборочно — он обусловлен большими диэлектрическими потерями воды по сравнению с высушиваемым продуктом.

5. Возможность сушки продуктов с низкой температурной проводимостью.

6. Низкая инерционность нагрева и малое, точно прогнозируемое время технологического процесса позволяют создавать автоматизированные технологические комплексы.

7. Экологичность процесса, заключающаяся в возможности утилизации всех продуктов технологического процесса.

8. Возможность обезвоживания веществ, окисляющихся при обычных способах сушки.

Из изложенного следует, что исследование, разработка и внедрение микроволновых технологий и, в частности микроволнового обезвоживания, безусловно, актуально. Масштабы исследований и объемы финансирования разработок, связанных с гражданским применением микроволн, в последние годы, как в России, так и за рубежом, непрерывно возрастают. Но разработка новых микроволновых технологий невозможна без построения модели процессов, протекающих при микроволновом обезвоживании, и построения принципов проектирования микроволновых промышленных установок.

1. М.К. Krokida, Z.B. Maroulis. Effect of Drying Method on Shrinkage and Porosity. Drying Technology, 15(10), 1997. pp. 2441−2458.

2. R. Schiffmann. An Update of the Applications of Microwave Power in the Food Industry. Journal of Microwave Power, 15, 1985. pp. 221−224.

3. J.P. O’Meara. Progress Report on Microwave Drying. Annual Conference of Potato Chip Institute International, San Diego С A, 1966. pp. 234−254.

4. D.G. Prabhanjan, H.S. Ramaswamy, G.S.V. Raghavan. Microwave-Assisted Convective Air Drying of Thin Layer Carrots. Journal of Food Engineering, 25, 1995. pp. 283−293.

5. R.E. Mudgett, W.B. Westphal. Dielectric Behavior of an Aqueous Cation Exchanger. Journal of Microwave Power, 24,1989. pp. 33−37.

6. D.W. Lyons, J.D. Hatcher, J.E. Sunderland. Drying of a Porous Medium with Internal Heat Generation. International Journal of Heat and Mass Transfer, 15, 1972. p. 897.

7. B. Al-Duri, S. Mclntyre. Comparison of Drying Kinetics of Food Using a FanAssisted Convection Oven, a Microwave Oven and Combined Microwave/Convection Oven. Journal of Food Engineering, 15, 1991. pp. 139 155.

8. I.W. Turner, P.G. Jolly. The Modelling of Combined Microwave and Convective Dryingof a Wet Porous Material. Drying Technology, 9(5), 1991. pp. 1209−1270.

9. I.L. Turner, V. Rudolph. Convective and Microwave Enhanced Drying of Glass Beads. Drying, 92 b, 1992. pp.553−561.

10. R.V. Decareau. Microwave Food Processing Equipment Throughout the World. Journal of Food Technology, 40(6), 1986. pp. 99−105.U.S. Lefeuvre. Microwave Drying of Porous Materials. Physical Technology, 12, 1981. pp. 155−161.

11. I.W. Turner. A Study of the Power Density Distribution Generated During the Combined Microwave and Convective Drying of Softwood. Drying'94, Marcel-DekkerNY, 1994. pp. 89−111.

12. M.A.J. Hoffman. Microwave Heating as an Energy Source for the Predrying of Herbage Samples. Plat and Soil, 23, 1965. pp. 145−147.

13. C.B. Sverzut, L.R. Verma. Microwave Analysis of Shredded Sugar Cane. Transactions of the American Society of Agricultural Engineers, 2, 1986. pp. 215 219.

14. T.N. Tulasidas, G.S.V. Raghavan, E.R. Norris. Microwave and Convective Drying of Grapes. Transactions of the American Society of Agricultural Engineers, 36(6), 1993. pp. 1861−1865.

15. C.T. Kiranoudis, E. Tsami, Z.B. Maroulis. Microwave Vacuum Drying Kinetics of Some Fruits. Drying Technology, 15(10), 1997. pp. 2421−2440.

16. A.E. Drouzas, H. Schubert. Microwave Application in Vacuum Drying of Fruits. Journal of Food Engineering, 28, 1996. pp. 203−209.

17. M.R. Okos, G. Narismhan, R.K. Singh, A.C. Weitnauer. Food Dehydration. In Handbook of Food Engineering, 1992. pp. 437−562.

18. K.S. Jayaraman, D.K. Das Gupta, N. Babu Rao. Effect of Pretreatment with Salt and Sucrose on the Quality and Stability of Dehydrated Cauliflower. International Journal of Food Sciens and Technology, 25, 1990. pp.47−60.

19. W. A.M. McMinn, T.R.A. Magee. Physical Characteristics of Dehydrated Potatoes Part II. Journal of Food Engineering, 33, 1997a. pp. 49−55.

20. K. Franzen, R.K. Singh, M.R. Okos. Kinetics of Nonenzymatic Browning in Dried Skim Milk. Journal of Food Engineering, 11,1990. pp. 225−239.

21. M. Karel. Physical Structure and Quality of Dehydrated Foods. Drying, 91, 1991. pp. 26−35.

22. W. A.M. McMinn, T.R.A. Magee. Quality and Physical Structure of a Dehydrated Starch-Based System. Drying Technology, 15(6−8), 1997b. pp. 1961;1971.

23. R. Sieber, P. Eberhard, P.U. Gallmann. Heat Treatment of Milk in Domestic Microwave Ovens, Int. Dairy Journal, 6 (3), 1996, pp. 231−246.

24. Ashim K. Datta. Heat and Mass Transfer in the Microwave Processing of Food. Chemical Engineering Progress, 1990, pp. 47−53.

25. Пчельников Ю. Н., Елизаров A.A. Применение ВЧи СВЧ-нагрева для термообработки зерна.// Электронная техника. Сер. 1, СВЧ-техника.- 1996.-Вып. 1(467).-С. 57−63.31 .Материалы сайта www.pueschner.com .

26. R. Kohl, С. Clary, М. Yen, J. Ennen. Development of a Data ManagementNetwork for Batch Microwave Vacuum Dehydration of Fruits and Vegetables. CATI Publication #902, USA, Fresno, 2000.

27. A.K. Datta, J. Zhang. Porous Media Approach to Heat and Mass Transfer in Solid Foods. Department of Agric. and Biol. Engineering Cornell University, 2001.

28. P. Ratanadechko, K. Aoki, M. Akahori. Experimental and Numerical Study of Microwave Drying in Unsaturated Porous Material. Int. Heat Mass Transfer, Vol.28, No.5, pp.605−616,2001.

29. Лыков A.B. Тепломассообмен: Справочник. 2-е изд., перераб. и доп. — М.:Энергия, 1978. 480с.

30. Лыков A.B. Теория сушки. М.: Энергия, 1968. 472с.