Раздел 2
Методологические основы аналитических и
экспериментальных исследований
В разделе представлена программа исследований и последовательность решения
задач диссертационной работы. Представлены характеристики методов
математического моделирования процессов тепло- и массообмена в вымораживающей
установке, экспериментальные методики определения кинетических закономерностей
процесса, условий равновесия между твёрдой и жидкой фазами при кристаллизации
воды в экстрактах и исследований плотности экстрактов. Представлены
характеристики экспериментальных стендов. Также приведены методики обобщения
экспериментальных исследований, оптимизации параметров и оценки погрешности
измерений.
2.1. Программа исследований
Основные направления исследований, последовательность их проведения и
взаимосвязь этапов решения задач, направленных на разработку методики расчёта
блочного вымораживателя с горизонтальным кристаллизатором и с интенсификатором
для создания вибрации в растворе, отражены в структурной схеме, представленной
на рис. 2.1.
Важным этапом в решении поставленной задачи является моделирование процессов
переноса теплоты и массы в вымораживающей установке с горизонтальным
кристаллизатором и с вибрирующей в растворе перфорированной пластиной. Прежде
всего, необходимо составить физическую модель блочного вымораживателя с
горизонтальным кристаллизатором, а также физическую модель блочного
вымораживателя с горизонтальным кристаллизаторам и с вибрирующей в растворе
перфорированной пластиной. Также необходимо составить балансовую модель
процесса по материальным и тепловым потокам. Важно изучить теплообмен в
вымораживающей установке и получить критериальные уравнения, описывающие
процесс массоотдачи в системе «раствор – вымороженная фаза». Для расчёта
процессов теплообмена предполагается использовать известные зависимости для
условий естественной и вынужденной конвекции. Необходимым завершением данного
этапа является оценка погрешности критериального уравнения и оценка его
адекватности.
Рис. 2.1 Программа исследований.
Для проведения экспериментальных исследований необходимо разработать методики
исследований, кинетических параметров процесса, структурных характеристик
раствора и конструктивных характеристик установки, а также создать
экспериментальные стенды. Также необходимо сформулировать методики для
определения криоскопических условий и теплофизических свойств раствора и
твёрдой фазы (плотности, коэффициента теплопроводности, теплоёмкости,
коэффициента динамической вязкости, температурного коэффициента объёмного
расширения, коэффициента диффузии), расчёта технико-экономических характеристик
установки, обобщения экспериментальных кинетических данных и оптимизации
параметров процесса.
При разработке методики расчёта промышленного блочного вымораживателя с
горизонтальным пластинчатым кристаллизатором и с вибрирующей в растворе
перфорированной пластиной будут использованы регрессионные уравнения для
расчёта понижения температур замерзания и теплофизических свойств экстрактов
растительного сырья, которые будут получены в результате обобщения этих данных.
Основой методики будет полученная математическая модель процессов в аппаратах
указанной конструкции, а также критериальные уравнения для расчёта
коэффициентов массоотдачи от раствора к фронту кристаллизации для
вымораживающих установок различной конструкции.
В ходе оптимизации предполагается уточнить режимные параметры процесса
вымораживания и конструктивные характеристики установки, при которых
эффективность ёё работы будет максимальной.
На последнем этапе работы планируется провести апробацию образцов продукции, а
именно концентрированных вымораживанием экстрактов, а также пилотной установки
на предприятиях пищевой промышленности.
2.2. Характеристика методов моделирования объектов исследований
Процессы вымораживания воды из растворов характеризуются большим количеством
параметров, определяющих протекание этих процессов, а также значительным
количеством внутренних связей между параметрами. С учётом этого, была создана
его модель, которая отражает отдельные явления изучаемого процесса, а именно
физическую реальность, переход от физической реальности к физической модели,
решение балансовой модели, решение математической задачи методом анализа
размерностей, получение неявной математической модели в критериальной форме,
экспериментальные исследования, обобщение режимных и конструктивных параметров
вымораживающей установки, получение явной математической модели в критериальной
форме [105]. При этом использовались методы физического и математического
моделирования. Обработка экспериментальных данных осуществлялась с помощью
современных математических пакетов («Excel», «Statistica», Matlab «Optimization
Toolbox»).
Физическое моделирование исследуемого процесса и обработка его результатов
позволили получить теоретические обобщения и практические выводы о рациональной
конструкции аппарата. Математическое моделирование использовалось, прежде
всего, для планирования эксперимента, изучения параметров с определением
диапазонов их изменения и требований к точности их измерений, а также для
расчётов и оценки погрешности исследований.
Математическое моделирование процессов массоотдачи при блочном вымораживании
воды из растворов на поверхности горизонтального кристаллизатора и в условиях
вымораживания на нижней поверхности горизонтального кристаллизатора с
вибрирующей перфорированной пластиной в растворе проводилось с использованием
принципов теории подо