3389

РАБОТА ВЫПОЛНЕНА В НИЖЕГОРОДСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ АРХИТЕКТУРНО-СТЮИТЕЛЬНОМ УНИВЕРСИТЕТЕ

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Бодров Валерий Иосифович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Позин Гарри Моисеевич, кандидат технических наук, профессор Махов Леонид Михайлович

Ведущая организация

«НижегородскийинститутПРОЕКТПРОМВЕНТИЛЯЦИЯ>>

Защита состоится «27» 2005 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.162.02 при Нижегородском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 603950, г.Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65, корпус 5, аудитория 202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета.

1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Анализ процессов тепломассопереноса в слое биологически активного сырья и существующих способов сушки выявил недостаточную изученность ряда вопросов в этой области сельскохозяйственного производства. К ним относятся: выявление закономерностей термодинамических процессов и движущих сил переноса теплоты и влаги в слое растительного сырья; отсутствие обоснованных аналитических и графоаналитических (на I-d-θ -диаграмме) с термодинамических позиций зависимостей по формированию количественных значений единого потенциала переноса (потенциала влажности); не выявлены количественные характеристики коэффициентов обеспеченности параметров наружного воздуха как агента для сушки растительного сырья; отсутствие значений тепловыделений, как одной из основных теплофизических характеристик биологической активности травы и других растительных материалов. Существующие на сегодняшний день методики инженерного расчета процессов сушки биологически активного сырья не позволяют в полной мере учесть весь комплекс отмеченных выше взаимосвязанных факторов.

Работа выполнялась в период с 2002 по 2005 г.г. и является составной частью комплексной научно-технической программы: «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма 211.07, проекты «Разработка и обоснование вероятностных показателей нестационарных возмущающих воздействий на тепловой режим реконструированных зданий» и «Разработка и обоснование физикоматематических моделей процессов тепломассопереноса в слое биологически активной продукции при нестационарных возмущающих воздействиях».

Автор выражает благодарность д.т.н., профессору Л.М. Дыскину и к.т.н., доценту Е.С. Козлову (Нижегородский государственный архитектурностроительный университет), к.т.н., профессору А.Н. Гвоздкову (Волгоградский

государственный архитектурно-строительный университет) и Тольяттинской гидрометобсерватории за помощь в процессе выполнения исследований.

Целью диссертационной работы является термодинамическое обоснование графо-аналитического решения задачи влагопереноса в слое биологически активного сырья с уточнением инженерной методики расчета интенсивности процессов тепловлагопереноса.

Для достижения поставленной цели были решены следующие основные

задачи.

1. Выявлены особенности термодинамических процессов в слое растительного сырья.

2.Обоснован с термодинамической позиции ход изменения линий постоянных потенциалов влажности θ=const, представленных на l-d-θ-

диаграмме.

3.Разработан графоаналитический метод расчета процессов тепломассообмена в слое биологически активной продукции с использованием I-d-θ- диаграммы.

4.Проведены натурные исследования по выявлению особенностей динамики параметров:

-атмосферного воздуха как агента сушки с расчетом количественных характеристик;

-воздуха в слое при работе систем активной вентиляции в зависимости от биологической активности материала.

5.Разработаны методологические основы расчета перспективных, экологически безопасных, малоэнергоемких режимов работы систем активной вентиляции по созданию и поддержанию технологических параметров воздуха в слое при послеуборочной обработке растительного сырья.

Научная новизна. На основе термодинамического анализа потенциала влажности, как движущей силы влагопереноса в слое биологически активного

сырья, впервые получены аналитические зависимости для расчета значений потенциала влажности в в различных диапазонах влагосодержания и относительной влажности воздуха. Дано обоснование линий θ= const на I-d-θ-

диаграмме. На основе экспериментальных данных получены аналитические зависимости для определения величины теплоты самосогревания биологически активных материалов (травы и зерна). Разработан графо-аналитический метод расчета интенсивности тепломассопереноса при сушке растительного сырья с использованием l-d- θ- диаграммы, учитывающий биологические тепловыделения продукции и изменение начальных параметров сушильного агента.

Практическая значимость. Предложена инженерная методика расчета перспективных, экологически безопасных и малоэнергоемких режимов работы систем активной вентиляции при сушке сельскохозяйственной продукции на основе потенциала влажности д. Получены количественные характеристики обеспеченности параметров наружного климата для осуществления процессов сушки растительного сырья. Экономический и экологический эффект при работе систем активной вентиляции с использованием неподогретого и подогретого атмосферного воздуха в качестве сушильного агента позволяет отказаться от использования искусственных источников теплоты при сушке травы и зерна.

Удельный экономический эффект от предложенной методики расчета интенсивности тепломассопереноса и создания, наладки и эксплуатации систем активной вентиляции в натурных условиях выразился при сушке травы от снижения расхода энергии - 328 руб/ т-год; от повышения качества заготовки сена - 304 руб/т-год. Общий экономический эффект от внедрения систем активной вентиляции за счет снижения расхода энергии и повышения кормового качества сена при заготовке 300 т. в сезон 2004 г. составил 189600 руб.; удельный эффект - 632 руб. в год на каждую тонну заготовленного из луговой травы сена.

4

Разработанная методика расчета процесса сушки растительного сырья использованы в учебный процесс кафедры «Машины и аппараты химических и пищевых производств» Тольяттинского государственного университета.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Термодинамически обоснованная, уточненная теплофизическая модель тепловлагопереноса в слое биологически активного сырья.

2.Аналитические зависимости для определения потенциала влажности в и

теплофизических показателей биологической активности сырья.

3.Графо-аналитический метод расчета интенсивности влагопереноса в слое растительного сырья

4.Результаты натурных исследований по экономической и экологической эффективности режимов работы систем активной вентиляции с использованием в качестве сушильного агента атмосферного воздуха.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и студентов Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета (2003...2005 г.), на III Международной научной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды», г. Волгоград (2004 г.), на Международной научнотехнической конференции «Современные проблемы инженерных систем зданий», г. Пенза (2004 г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Градостроительство, реконструкция и инженерное обеспечение устойчивого развития городов Поволжья», г.Тольятти (2004 г.), на 7-ом Международном научно-промышленном форуме «Великие реки», г. Н.Новгород (2005 г.).

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 7

статьях.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа

состоит из введения, 4 глав, основных выводов и 4 приложений. Работа изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 13 страниц приложений, 66 рисунков и 6 таблиц. Список используемой литературы содержит 113 источников, в том числе 18 иностранных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Процессы тепломассопереноса в слое биологически активного сырья во время сушки носят нестационарный характер. Это вызывает сложности при определении движущих сил переноса (потенциалов переноса) и аналитическом описании процессов тепломассообмена между влажным материалом и продуваемым сквозь слой воздухом.

Значительный вклад в развитие теории тепломассообмена в сушильных процессах внесли А.В. Лыков, В.Н. Богословский, И.М. Фальковский, А.С. Гинзбург, В. Мальтри, В.И. Пятрушявичус, В.Н. Любарский.

Обобщенная модель тепломассообмена в процессе сушки растительного сырья, получившая на практике наибольшее применение, была разработана этими ученых на основе I-d-диаграммы. Основным недостатком использования

I-d-диаграммы для построения процессов тепломассопереноса в слое сохнущего материала являются затруднения при выявлении движущей силы тепломассообмена.

С точки зрения термодинамики, наиболее точно оценка тепломассообменных процессов в слое биологически активной продукции проводится с позиции теории потенциала влажности 9. Развитием теории потенциала влажности занимались А.В. Лыков, В.Н. Богословский, А.Н. Гвоздков, Б.В. Абрамов. Поток влаги с поверхности влажного материала к продуваемому воздуху пропорционален разности потенциалов влажности:

jθ =aθ (θпон - θн ) (1) Непосредственное использование зависимости (1) для расчета потока влаги в продуваемом слое возможно только при наличии математических или

6

графических зависимостей для определения величин Θ.

Каждому значению потенциала влажности θ соответствует бесконечное

множество сочетаний значений температуры te и относительной влажности воздуха φв . Профессор В.Н.Богословский и доцент А.Н. Гвоздков, используя известные соотношения параметров влажного воздуха и шкалу потенциала влажности, экспериментально построили зависимости между потенциалом влажности и упругостью водяного пара в воздухе при различных температурах и нанесли линии постоянных потенциалов влажности на I-d-диаграмму (рис.1).

При относительной влажности воздуха φв <80% линии потенциала влажности являются прямыми во всем диапазоне температур. В области высоких значений

относительной влажности воздуха (φв >80%) линии θ=cost имеют значительное отклонение в сторону уменьшения величины влагосодержания

влажного воздуха. Однако такой характер изменения зависимостей Θ,

приведенных авторами в виде кривых на I-d-диаграмме, не объяснен ими с термодинамической позиции и не имеет математической количественной обработки.

Представленная нами трактовка термодинамического обоснования характера кривых θ=const, основана на известных соотношениях для относительной влажности воздуха φ и влагосодержания а. Построена зависимость между температурой t и относительной влажностью воздуха φ при некоторых значениях влагосодержания d (рис.2). Характер полученных кривых

говорит о том, что с понижением температуры при d=const величина относительной влажности воздуха экспоненциально возрастает, т.е. оказывает большее влияние на значение потенциала влажности, чем изменение

температуры. Именно следствием этого, по нашему мнению, является

возникновение кривизны линий θ=const в сторону уменьшения влагосодержания в области высоких значений относительной влажности

(φ>80%) (рис. Г), где взаимосвязь t и φ особенно выражена. При t >30°С зависимость относительной влажности воздуха от влагосодержания можно представить линейной, вследствие чего значения θ качественно совпадают с

Рис.1.1-d-θ-диаграмма

Рис.2. Зависимость между температурой и относительной влажностью воздуха

прямой d=const. Это явление подтверждается отсутствием процесса

массопереноса при постоянном влагосодержании воздуха и косвенно объясняет геометрический вид линий θ=const.

Путем построения зависимости между потенциалом влажности θ и

влагосодержанием воздуха d при относительной влажности воздуха менее 80% (рис.3) и аппроксимации полученной кривой были получены следующие