РОЗДІЛ 2
ТЕОРЕТИЧНІ ПЕРЕДУМОВИ ПРОЦЕСУ СУШІННЯ КАЧАНІВ КУКУРУДЗИ ТА ПРИСТРОЮ ДЛЯ ЙОГО РЕАЛІЗАЦІЇ
2.1. Дослідження процесу конвективного сушіння качанів кукурудзи
Теорія сушіння рослинних сільськогосподарських матеріалів, як капіляро-пористих колоїдних тіл, грунтується на диференціальних рівняннях, якими описують процеси волого- і масоперенесення [86-91]. Проте ці рівняння дають змогу отримати лише наближені результати, оскільки на їх точність впливають прийняті допущення і наявність великої кількості експериментальних коефіцієнтів. Таким чином вдається отримати лише загальну фізичну характеристику процесу сушіння, а не виявити можливі шляхи його інтенсифікації та зменшення ресурсовитрат на проведення даного процесу.
Тому, аналіз процесу конвективного сушіння товстого шару качанів кукурудзи необхідно проводити з урахуванням їх біологічних особливостей як об'єкту сушіння. Товстим шаром качанів кукурудзи будемо вважати шар висотою більшою, ніж діаметр одного качана. У такому випадку його можна віднести до неоднорідного анізотропного середовища, яке містить окремі біологічні об'єкти (качани, зерно, стрижні, залишки інших складових кукурудзи). Всі вказані структурні елементи товстого шару качанів кукурудзи мають різну початкову вологість. Отже, припускати, що качан кукурудзи є однорідним тілом недопустимо і використання методу математичного усереднення дає надзвичайно наближені результати. Тому виявити шляхи інтенсифікації процесу сушіння товстого нерухомого шару можна на основі експериментальних результатів сушіння окремих його складових або складених з них різних комбінацій. Оскільки у шарі матеріалу найбільший відсоток качанів, то у своїх дослідженнях качан кукурудзи розглядатимемо як систему двох складників: стрижня і зерна з різними початковими параметрами.
Враховуючи вище сказане, використанням методів математичного усереднення можна отримати лише наближені аналітичні вирази, що описують процес сушіння в товстому шарі матеріалу.
Збільшення інтенсивності видалення вологи можна досягти шляхом збільшенням площі контакту матеріалу з сушильним агентом в результаті поділу качана на частини довжиною, співрозмірною з їх діаметром. Для встановлення технологічних параметрів процесу видалення вологи з качанів кукурудзи розглянемо модель, представлену на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Схема переміщення сушильного агенту вздовж качана
Рис.2.2. Фізична модель качана кукурудзи
Розглянемо частинку качана висотою Н та діаметром dк із діаметром стрижня dс. Приймемо умову, що вектор напрямку потоку сушильного агента Vса нормальний до поверхні кожного елементарного шару висотою dy, що рівна одній зернині. За елементарний шар згідно [43] вважаємо шар матеріалу висотою dу, в межах якого вологовміст змінюється від Uу до Uу + ?U. Сушильний агент переміщається вздовж осі Y. При проходженні сушильного агента послідовно через окремі шари змінюються їх параметри. На вході в шар качанів кукурудзи сушильний агент має температуру і вологовміст , а при проходженні першого шару температура сушильного агента зменшується через передачу енергії на нагрівання і випаровування вологи з матеріалу і приймає значення, а вологовміст зростає за рахунок випареної вологи до значення . Вологовміст матеріалу у шарі в процесі його сушіння зменшується.
Сушильний агент, пройшовши послідовно через шари матеріалу, знижує свою температуру і насичується вологою до того моменту, при якому не може поглинати вологу з матеріалу. Насичений сушильний агент, що має температуру і вологовміст , видаляється в навколишнє середовище. Процес сушіння першого шару припиниться, коли він досягне рівноважного вологовмісту, а загального товстого шару лише тоді, коли параметри сушильного агенту на виході з елементарного шару стають рівними його параметрам на вході, тобто і вологовміст . У випадку, коли матеріал досягне рівноважного вологовмісту Uр, температура сушильного агента і матеріалу стають рівними, тобто .
Для встановлення залежності для визначення швидкості сушіння зробимо наступні допущення:
- осі частин качанів у шарі розміщені паралельно до напряму руху сушильного агента при проходженні через них;
- переміщення вологи у стрижні відбувається у напрямі осі Y;
- переміщення вологи в зернині, перепендикулярне осі Y, відбувається у бік стрижня;
- за елементарний шар dy будемо вважати шар висотою в одну зернину.
Дані експериментальних досліджень підтверджують, що досягнення кондиційної вологості у будь-якому перерізі качана кукурудзи відбувається у період постійної швидкості сушіння. На цьому етапі справедлива залежність, запропонована О.В. Ликовим [84]:
, (2.1)
де Uп - біжуче значення вологовмісту у матеріалі, кг/кг;
Uр - значення вологовмісту, яке є рівним критичному вологовмісту матеріалу у першій критичній точці, кг/кг;
Кс - коефіцієнт сушіння.
Інтегрування виразу (2.1) дає можливість отримати залежність для визначення вологовмісту матеріалу у плоскому шарі, перепендикулярному руху сушильного агенту:
, (2.2)
де Uк - кінцеве значення вологовмісту в даному шарі, кг/кг;
?0-?к - час, затрачений на зниження вологовмісту від Uп до Uк, год;
Кс - коефіцієнт сушіння качанів кукурудзи.
Плоским шаром згідно з [43] будемо вважати площину січення качана кукурудзи, нормальну вектору швидкості сушильного агента у межах якої вологовміст матеріалу залишається незмінним.
Для шарів n1, n2, величиною в одну зернину, згідно прийнятої моделі можна записати [84]:
, (2.3)
де ?1,?2 - час, затрачений на зниження вологовмісту від Uп до Uк , відповідно, шарів n1 та n2, год.
Розв'язок системи рівнянь (2.3) дозволяє визначити коефіцієнт сушіння:
, (2.4)
де ?? - час вирівнювання вологовмісту у шарі товщиною dy, год.
Щоб врахувати початкові значення вологовмісту окремих складових качана (зерна та