Механізм і кінетичні закономірності фільтраційного сушіння зерна пшениці

Abstract

Дисертаційна робота присвячена теоретичним та експериментальним дослідженням фільтраційного сушіння зерна пшениці. Отримано критеріальні рівняння для опису гідродинаміки фільтраційного сушіння на основі змішаної задачі. На основі теоретичних та експериментальних досліджень теплообміну під час фільтраційного сушіння запропоновано критеріальні залежності у вигляді безрозмірних комплексів для визначення коефіцієнтів тепловіддачі. Розкрито механізм тепломасообміну під час фільтраційного сушіння зерна пшениці у стаціонарному шарі. Запропоновано математичну модель для розрахунку коефіцієнта внутрішньої дифузії вологи з частинок циліндричної форми скінчених розмірів в навколишнє середовище. На основі узагальнення експериментальних та теоретичних досліджень гідродинаміки, теплообміну, дифузії, кінетики та динаміки фільтраційного сушіння розроблено принципову схему сушильної установки, яка враховує кінетичні й фізико-механічні властивості зерна пшениці, методику її розрахунку та обґрунтовано оптимальні параметри процесу. Основні результати роботи передані для впровадження у виробництво та в навчальний процес. Диссертация посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям фильтрационной сушки зерна пшеницы. Получены критериальные уравнения для описания гидродинамики фильтрационной сушки на основе смешанной задачи. На основе теоретических и экспериментальных исследований теплообмена при фильтрационной сушки предложено критериальные зависимости в виде безразмерных комплексов для определения коэффициентов теплоотдачи. Раскрыт механизм тепломассообмена при фильтрационной сушки зерна пшеницы в стационарном слое. Предложена математическая модель для расчета коэффициента внутренней диффузии влаги из частиц цилиндрической формы конечных размеров в окружающую среду. На основе обобщения экспериментальных и теоретических исследований гидродинамики, теплообмена, диффузии, кинетики и динамики фильтрационной сушки разработана принципиальная схема сушильной установки, которая учитывает кинетические и физико-механические свойства зерна пшеницы, методику ее расчета и обоснованно рациональные параметры процесса. Основные результаты работы переданы для внедрения в производство и в учебный процесс. The work deals with the critical analysis of the modern state and prospects for the wheat grain drying processes. The filtration drying method of the dispersed materials has been analyzed, namely peculiarities of hydrodynamics and heat-mass exchange. The data represented in the literature concerning hydrodynamics, kinetics and heat-mass exchange of the filtration drying are referred to the individual dispersed materials and it is impossible to use these results to forecast the filtration drying of wheat grain because of great errors between the experimental and calculated results. On the basis of critical analysis of the literature sources the main tasks of the theoretical and experimental investigations concerning wheat grain filtration drying have been formulated. The second section of the work deals with the choice of the investigation object and its physico-chemical characteristics. The schemes of the experimental setup and continuous laboratory plant that approaches the process to the industrial one are represented. The procedures for determining layer porous structure and averaging grain size, as well as investigation methods of hydrodynamics, heat-mass exchange, kinetics and mechanics of grain motion along the angled surface are described. Measurement errors are evaluated. The third section represents the experimental results concerning hydrodynamics of the stationary layer of wheat grain during the filtration drying. As a result of the experiments new calculated dependencies were obtained to determine the hydraulic resistance of wheat grain depending on heat agent filtration rate and height of grain layer. This allows to determine the pressure losses in the material layer while designing the equipment and economic expediency of the process upgrading. The mechanism of wheat grain filtration drying is represented in the forth section. The experimental results show the effect of heat agent parameters (temperature, filtration rate), layer height and initial moisture content on the kinetics of filtration drying. The proven fact is that the temperature and filtration rate intensify the process. The grain drying takes place in the second period allowing to calculate the rational parameters of the process. The fifth section deals with the experimental results of heat-mass exchange. The coefficients of heat-transfer from the heat agent to the dry material were determined according to the Newton law, to the wet material – according to the heat-transfer equation. In this equation the amount of heat transferred to the material layer is spent for moisture evaporation. The change of heat agent temperature was investigated along the height of wheat grain. The mathematical model of pore-diffusion mass transfer during wheat grain filtration drying has been proposed. On its basis the diffusion coefficients were determined at different temperatures of the heat agent and initial moisture content. The experimental results are represented as calculated dependencies suitable for practice. On the basis of theoretical and experimental results concerning hydrodynamics, heat-and-mass exchange and kinetics of the wheat grain filtration drying the schematic diagram of the drying unit has been developed (sixth section) and patented. The model of stationary layer motion along the angled surface of the drying zone and the method of unit main dimensions calculation have been developed.