Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Порошковая форма растительного сырья 10
1.1. Растительное сырье с ограниченными сроками хранения в натуральном виде 10
1.2. Традиционные способы увеличения сроков хранения растительного сырья 22
1.3. Порошковая форма растительного сырья как наиболее прогрессивный способ хранения и применения 27
1.4. Способы переработки растительного сырья в порошковую форму 29
Выводы и постановка задач 41
ГЛАВА 2. Непрерывное вибрационное перемешивание 42
2.1. Роль вибрационного перемешивания в вибрационном аппарате 42
2.2. Взаимодействие загрузки с корпусом в вибрационном смесителе 47
2.3. Расчет условий отрыва слоя жидкости от вибрирующей поверхности 58
2.4. Экспериментальные исследования непрерывного виброперемешивания 62
2.4.1. Описание экспериментальной установки, методик исследования и обработки опытных данных 62
2.4.2. Результаты экспериментальных и расчетных данных 69
Выводы 71
ГЛАВА 3. Вибрационное измельчение материалов в производстве порошков
3.1 Выбор рабочих параметров вибрационной мельницы 72
3.2 Кинетика измельчения материалов 76
3.3. Математическое моделирование вибрационного измельчения в процессе получения порошков 80
3.4 Экспериментальные исследования вибрационного помола 82
3.4.1 Методика проведения и обработки результатов экспериментальных исследований вибрационного помола 82
3.4.2 Результаты экспериментальных исследований вибрационного помола 86
Выводы 92
ГЛАВА 4. Сушка растительного сырья в технологии получения пищевых порошков
4.1 Выбор режимных параметров сушки растительного сырья 93
4.2 Теоретические исследования кинетики сушки 97
4.3 Математическое описание сушки в процессе получения порошков 104
4.4 Экспериментальное исследование сушки растительного сырья 115
4.4.1 Описание экспериментальной установки и методики проведения опытов в вибрационной сушилке-мельнице непрерывного действия и обработки опытных данных 115
4.2.1 Описание экспериментальной установки и методики проведения опытов в вибрационной сушилке-мельнице периодического действия и обработки опытных данных 118
4.2.3 Описание методики исследования контактной сушки 120
4.2.4 Результаты экспериментальных исследований сушки 122
Выводы 129
ГЛАВА5. Методика технологического расчета вибрационной сушилки-мельницы непрерывного действия 131
5.1 Определение производительности машины, объема и габаритов сушилки-мельницы и параметров вибрации 131
5.2.Расчет конструкционных элементов вибромашин 134
5.3 Расчет мощности электродвигателя 136
5.4 Блок-схема алгоритма расчета вибрационной сушилки мельницы 141
Выводы 144
Список использованных источников 146
Приложения 161
- Традиционные способы увеличения сроков хранения растительного сырья
- Расчет условий отрыва слоя жидкости от вибрирующей поверхности
- Методика проведения и обработки результатов экспериментальных исследований вибрационного помола
- Описание экспериментальной установки и методики проведения опытов в вибрационной сушилке-мельнице непрерывного действия и обработки опытных данных
Введение к работе
Актуальность работы. Основной целью пищевой промышленности является гарантированное снабжение населения качественными натуральными продуктами и обеспечение длительного срока хранения сырья для пищевой индустрии.
Традиционные формы хранения и транспортирования растительного сырья (в натуральном и замороженном виде, в виде консервированных соков, паст и т.д.) имеют ограниченные сроки хранения даже при организации условий хранения в узком диапазоне оптимальных параметров окружающей среды в хранилищах, а большой объём, делает их хранение и транспортировку сложным, дорогостоящим, громоздким и энергоемким. При этом неизбежны потери, как самого продукта, так и его ценных компонентов при хранении и воздействии внутренней влаги и температуры.
Порошковый способ является наиболее перспективным, эффективным и компактным способом длительного, без потерь, хранения и транспортировки растительного сырья. Кроме того, в качестве сырья для этой технологии, наряду с натуральным цельным сырьем, могут использоваться остатки других производств по переработке ягод, фруктов, овощей.
Пищевые порошки имеют целый ряд особенностей, которые выгодно отличают их от других форм пищевых продуктов. Они освобождены от значительной части влаги, содержащейся в обычных продуктах, в связи с чем, имеют незначительный объём, массу и высокую концентрацию питательных веществ. Низкая влажность порошков благоприятствует их длительному хранению без потери качества. Порошки обладают высокими органолептическими свойствами и максимально сохраняют питательные свойства исходного продукта.
Существующие способы получения порошков состоят из двух этапов: сушки и измельчения, являются громоздкими в аппаратурном оформлении, энергоёмкими, продолжительными по времени. Поэтому разработка способа получения порошков совмещением процессов сушки и измельчения при интенсивном перемешивании в одном аппарате весьма актуальна. Часть результатов работы получено в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Цели и задачи работы. Целью работы является экспериментальное и теоретическое исследование процесса получения порошков из растительного сырья в вибрационной сушилке-мельнице непрерывного действия, разработка его математического описания и создание методики инженерного расчета.
В непосредственные задачи исследования входило:
проведение экспериментальных исследований эффективности предложенного способа и влияния различных факторов на кинетику процессов сушки и измельчения.
выбор оптимальных параметров процессов сушки, смешения и измельчения при получении порошков в вибрационной сушилке-мельнице.
В руководстве работой принимала участие к.т.н. доцент Дубкова Н.З.
разработка математического описания процесса сушки при комбинированном подводе тепла с учетом особенностей теплообмена в виброкипящем слое материала и кинетики измельчения в процессе получения порошков.
разработка инженерной методики расчета вибрационной сушилки-мельницы и рекомендаций по внедрению.
Научная новизна.
-
Разработана экспериментальная установка и получены экспериментальные данные по кинетике процессов измельчения и сушки растительного сырья в вибрационной сушилке-мельнице непрерывного действия.
-
Разработаны математическое описание и методика расчета процесса получения порошков из растительного сырья с учетом особенностей теплообмена и кинетики измельчения в вибрационной сушилке-мельнице.
-
Определены рабочие параметры вибрационной сушилки-мельницы, обеспечивающие максимальную степень циркуляции загрузки и эффективность сушки.
Достоверность полученных результатов подтверждается использованием фундаментальных законов тепло- и массообмена, а также хорошей сходимостью результатов расчетных и экспериментальных данных.
Практическая ценность. Разработаны способ получения порошков из растительного сырья, совмещающий процессы сушки и вибрационного измельчения материала в одном аппарате и вибрационная сушилка-мельница непрерывного действия, обеспечивающая получение порошков высокой дисперсности и низкой влажности (4-8 % химически связанной влаги). На конструкцию получен положительное решение по патенту на изобретение. На полученные порошки выдан гигиенический сертификат и разработаны технические условия. Разработана методика технологического расчета вибрационной сушилки-мельницы. Разработана техническая документация на вибрационную сушилку-мельницу объемом 200 л. Промышленный образец аппарата принят к внедрению на ОАО «Таткрахмалпатока».
На защиту выносится:
- математическое описание процесса сушки при комбинированном подводе тепла с учетом особенностей теплообмена в виброкипящем слое материала и кинетики измельчения в процессе получения порошков;
- результаты экспериментальных исследований по исследованию влияния различных параметров на кинетику сушки растительного сырья, вибрационного смешения и измельчения;
- методику и результаты расчета кинетики сушки и измельчения при интенсивном вибрационном воздействии.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались: на IV Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых ’’Научный потенциал студенчества в XXI веке’’. г. Ставрополь, 2010; на III научно-практической конференции с международным участием ’’Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания’’, Челябинск, 2010; на II Международной научно-технической конференции "Новое в технике и технологии пищевых производств", Воронеж, 2010; на XXIII- Международная научная конференция "Математические методы в технике и технологиях- ММТТ-23",Саратов, 2010; на 3-ей Всероссийской научно-практической конференции “Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности”, Бийск, 2010; на V научно-практической конференции молодых ученых, Магнитогорск,2010; на Международный научно-технический семинар “Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов”, Воронеж,2010.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных результатов, приложений и списка литературы, содержащего 164 источников. Работа изложена на 181 страницах печатного текста (из них 21 - приложения) и содержит 40 рисунков.
Традиционные способы увеличения сроков хранения растительного сырья
Хранение сырья может проводиться в натуральном и консервированном виде, в охлажденном и замороженном состоянии, для чего используются специальные хранилища с соответствующими климатическими условиями. Для максимального сохранения товарного качества натурального продукта, необходимо соблюдать стабильный ступенчатый температурный режим хранения [17]. Повышенная температура в начальный период хранения способствует постепенному приспособлению продуктов к этим условиям и нормальному дозреванию. Последующее снижение температуры замедляет интенсивность дыхания, благодаря чему повышается лежкоспособность плодов и овощей.
Сравнительно небольшие потери влаги в натуральном растительном сырье приводят к нарушению биохимических процессов, усилению распада органических веществ, ослаблению устойчивости сырья к болезням и сокращению сроков их хранения. Уровень влажности необходимо изменять в период хранения в соответствии со степенью зрелости сырья. Во время закладки на хранение относительная влажность воздуха должна быть 95-98%.
Вентилирование воздуха в хранилищах необходимо для отвода и удаления летучих и ароматических веществ, выделяемых плодоовощным сырьем в процессе жизнедеятельности, способствующих развитию физиологических заболеваний продукта. При правильном штабелировании циркуляция воздуха обеспечит стабильность температурного и влажностного режима во всем объеме камеры, заполненной сырьем.
На плодоовощных базах крупных городов хранилища для растительного сырья представлены, в основном, холодильниками. Для сохранения качества сельскохозяйственной продукции широко используют прогрессивные способы хранения: регулируемая газовая среда (РГС) и модифицируемая газовая среда (МГС), позволяющие значительно сохранить потери продукции при хранении, обработку продуктов перед закладкой на хранение такими веществами, как хлористый кальций, сорбиновая кислота, поливиниловый спирт, которые должны предотвращать или тормозить развитие заболеваний, снижать потери и быть нетоксичными для потребителей, дешевыми и технологичными [17].
РГС с повышенной концентрацией диоксида углерода и пониженным содержанием кислорода позволяет осуществить направленное регулирование температурно-влажностных и газовых параметров атмосферы, образованных за счет физиологических процессов, происходящих в продуктах (в основном, дыхания). Способ хранения плодоовощного сырья в МГС основан на том, что газовая среда, аналогичная РГС, создается биологическим путем, за счет процессов дыхания сырья, помещаемого в полимерные упаковки. В продукции, хранящейся в МГС, более полно сохраняются сахара, пектиновые вещества, органические кислоты, аскорбиновая кислота. МГС оказывает тормозящее действие на многие звенья обмена веществ сырья и тем самым способствует более полному сохранению пищевой и биологической ценности. К недостаткам способа можно отнести легкую механическую повреждаемость полиэтиленовой пленки (в результате чего нарушается газовый режим) и низкий коэффициент полезного использования холодильных камер.
Консервированные пищевые продукты позволяют обеспечить круглогодичное питание населения, а также создавать текущие, сезонные и страховые запасы [4]. Пищевая и биологическая ценность соков обусловлена содержанием в них белков, углеводов, органических кислот полифенольных соединений, витаминов, минеральных и других веществ. При производстве овощных и фруктовых консервов необходимо использовать различные добавки и консерванты (соль, сахар, уксусная кислота и другие), а также провести операции бланширования, стерилизации, пастеризации и так далее. Стерилизацию консервов проводят при высокой температуре (120-ИЗО С). При температуре 90 С теряется до 9% Сахаров и до 40% витамина С. Стерилизация при производстве компотов оказывает влияние на цвет плодов, интенсивность которого зависит от химического состава среды, материала тары, качества и степени зрелости сырья. Продукция, полученная асептическим консервированием, лучше хранится, однако потери ценных веществ неизбежны. Бланширование в производстве компотов может быть заменено вакуумированием плодов, которое обеспечивает удаление воздуха и облегчает проникновение сиропа в ткани без потерь сухих веществ. При вакуумировании в плодах полностью сохраняются все биологически активные, а также красящие и ароматические вещества. Компоты должны храниться в сухих, хорошо вентилируемых складских помещениях при температуре от 0 до 25С без резких колебаний. Фруктовые и ягодные пюре вырабатывают стерилизованными и консервированными химическими средствами и хранят в герметичной таре не больше года при температуре от 0 до 20С и влажности воздуха не более 75 %.
При содержании сахара свыше 65% концентрированные фруктовые продукты (варенья, джемы, цукаты, яблочно-фруктовые смеси и другие) могут без стерилизации храниться длительное время, не подвергаясь микробиологической порче. Фруктовые консервы с содержанием сухих веществ менее 70% для предохранения от порчи стерилизуют или добавляют антисептик - сорбиновую кислоту, а более концентрированные хранят при температурах ниже 25С и влажности воздуха не более 75% в плотно закрытой таре. При хранении фруктовые желе стареют, и на их поверхности происходит выделение влаги при одновременном значительном сокращении объема. Причиной этого может быть понижение температуры хранения, механическое воздействие на студень, величина рН и наличие примесей в продукте. Непастеризованное желе хранят при температуре от 0 до 10С в течение шести месяцев, пастеризованное — 1 год. Цукаты хранят в складских помещениях при температуре от 0 до 20С и относительной влажности воздуха не более 75% в течение 6-12 месяцев.
При получении сока и вяленого продукта фрукты и овощи не подвергаются высоким (свыше 90С) и длительным температурным воздействиям, что позволяет сохранить некоторые ценные ароматические, вкусовые и питательные вещества обрабатываемого сырья [18]. Сок и вяленый продукт сохраняется более года. Сушка является одним из важнейших способов переработки плодов и овощей с целью удлинения сроков их использования [19, 20]. Пониженная влажность сушеных плодов (16 - 25%) и овощей (12-14%) является основным препятствием для развития микроорганизмов и активной работы ферментов, поэтому обезвоженные плоды и овощи при определенных условиях могут длительно храниться без порчи в складах с нерегулируемым температурным режимом и транспортироваться на большие расстояния в обычных вагонах. Вес сушеных плодов и овощей уменьшается на 70-90% в сравнении с исходным сырьем, а брикетирование во много раз уменьшает их объем. Уменьшение веса и объема обезвоженных плодов и овощей снижает расходы по их транспортированию и хранению. Сушеные продукты имеют высокую концентрацию питательных веществ. Однако, вследствие относительно высоких температур обезвоживания и длительности процесса в обычных сушилках многие питательные компоненты, значительно изменяются [20].
Расчет условий отрыва слоя жидкости от вибрирующей поверхности
Измельчение твердых материалов является одной из основных операций при их использовании во многих отраслях промышленности. Роль процесса измельчения в получении порошков из растительного сырья определяется как средство удаления высушенного поверхностного слоя, развития новой поверхности испарения внутренней влаги, исключения второго периода сушки и достижения остаточной химически связанной влаги (4-8%), снижения потребления энергии и себестоимости продукции.
Тонкое измельчение твердых материалов способствует расширению диапазона преимущественного использования мелкодисперсных порошков, благодаря улучшению качества смесей за счет их равномерного распределения. В пищевой промышленности использование мелкодисперсной порошковой формы компонентов улучшает органолептические свойства и качество продукции.
Принцип действия вибрационных мельниц основан на приведении массы шаров и измельчаемого материала в круговое колебательное движение посредством инерционного вибратора, сопряженного с электродвигателем. Частицы материала, попадая в пространство между шарами, разрушаются. Такой способ позволяет вести сухое и мокрое измельчение материалов до высокой дисперсности [74-77].
Стенки корпуса при вращении вибратора сообщают мелющим телам частые импульсы, вследствие чего вся загрузка совершает сложное движение. Мелющие тела подбрасываются, сталкиваются и совершают сложные броски, вращаются и скользят по стенкам корпуса, и, кроме того, вся загрузка перемещается вокруг центральной трубы в направлении противоположном круговым колебаниям корпуса. Большое число импульсов, сообщаемых мелющим телам в единицу времени, и их сложное движение обуславливают характер воздействия елющих тел на обрабатываемый материал. Во всех зонах корпуса вибромельницы на частицы измельчаемого материала действуют в различных направлениях усилия переменной величины. Высокая частота и разнонаправленный характер этих воздействий создают усталостный режим разрушения обрабатываемого материала.
Установлено, что эффективность измельчения согласно разным теориям пропорциональна частоте и квадрату или кубу амплитуды колебаний [77]. Она оптимальна, когда шары заполняют % объема помольной камеры при измельчении сухих материалов. Скорость измельчения растет с повышением плотности и твердости материала, из которого изготовлены шары.
При коэффициенте заполнения вибрационной сушилки-мельницы равном 1 высушиваемый материал и мелющие тела загружаются в объемном соотношении равном 1:1 [42]. В ходе процесса измельчения и сушки материал значительно уменьшает свой объем. В растительном сырье влага составляет 70-90%, а в конечном продукте 4-8% химически связанной влаги. Поэтому, объем материала к концу процесса уменьшается на 60-85%. Расчеты показали, что в конце процесса получения порошков весь материал занимает поровое пространство мелющих тел, препятствуя износу последних.
Таким образом, измельчение определяет характер испарения влаги. Чтобы оценить взаимное влияние измельчения и сушки, необходимо провести всестороннее исследование кинетики измельчения в порошковой технологии.
Скорость измельчения при круговой траектории колебания корпуса вибрационных мельниц имеет оптимум, который обеспечивается равенством гори-зонтальной и вертикальной жесткости упругих опор [74].
Основными показателями режимов работы вибрационной мельницы являются частота и амплитуда колебаний. Они определяют величину ускорения вибрации и потребляемой мощности, интенсивность работы шаров и усилий, действующих в механизмах аппарата. В пределах одного и того же значения ускорения влияние частоты колебаний на скорость измельчения значительно больше, чем амплитуды [77]. Это объясняется тем, что увеличение амплитуды увеличивает ударный импульс, а увеличение частоты увеличивает частоту воздействия, мелющих тел на частицы загрузки, вызывая усталостный режим их разрушения и обеспечивая условия для тонкого измельчения. Установлено [50], что при оптимальной амплитуде энергозатраты минимальны при постоянстве производительности. Проанализировав литературу по измельчению дисперсных материалов [68-70,74-77, 78-80, 81-88], были найдены следующие параметры вибрации для мельницы: D=300 мм, А=2.2 мм, п=1440 об/мин, Асо2=102.22м/с2 , Fr = 10-И1. При этих параметрах принятые нами ранее кри терии равны П\ - 8,4 10 , Fr=l 0.2.
Работы ряда авторов [68, 69, 74-77, 89] по вибрационному измельчению показали, что оптимальное ускорение вибрации для материалов различной прочности находятся в пределах (10-i-45)g. Учитывая, что при получении порошков измельчается влажный исходный материал с малой прочностью, рабочие параметры сушилки-мельницы можно принять из условия оптимальных параметров для интенсивного перемешивания, то есть Fr=8-Ml,
Эффективность работы вибромельниц определяется характеристикой мелющих тел, их формой, размерами и материалом. Установлено [65, 89], что наиболее подходящими по форме являются шары и ролики. Длина роликов не должна быть больше диаметра более чем в 1.5 раза.
Для измельчения прочных материалов или крупных частиц, а также сравнительно грубого помола, надо применять мелющие тела большего диаметра и большой плотности, обладающие большей силой удара. Для измельчения легко разрушающихся материалов и для достижения высокой дисперсности готового продукта следует использовать мелющие тела малого размера [76, 77]. Исходя из этой рекомендации и начальных размеров частиц загрузки, для вибрационной сушилки-мельницы в качестве мелющих тел была использована полидисперсная среда, состоящая из роликов и шариков подшипников качения с определяющими размерами 10 -15 мм в равном объемном соотношении их типоразмеров. Применяя мелющие тела разных размеров, можно одновременно измельчать крупные и мелкие частицы материала.
Материал мелющих тел — сталь ШХ-15 ГОСТ 801-78 отвечает требованиям по твердости измельчаемого материала и чистоты продукта помола в пищевой и фармацевтической промышленности с точки зрения износа мелющих тел [90].
Производительность вибрационной мельницы в значительной степени зависит от коэффициента заполнения корпуса мелющими телами и измельчаемым материалом. Оптимум коэффициента заполнения при сухом помоле составляет 0.8-0.9, при этом объем измельчаемого материала составляет около 0.2-0.3 объема камеры [77]. При сушке с сопутствующим измельчением объем обрабатываемого материала значительно уменьшается за счет потери влаги и перераспределения измельченных частиц между мелющими телами. Поэтому рекомендуется начальный коэффициент заполнения для вибрационной сушилки-мельницы принять за единицу.
Методика проведения и обработки результатов экспериментальных исследований вибрационного помола
Основной особенностью процесса сушки растительного сырья являются ограничения по температуре. Под воздействием высоких температур происходят химические изменения, которые приводят к распаду комплексов липидов с белками и углеводами, образуются новые соединения, протекают окислительные процессы, в результате которых реализуется перераспределение незаменимых полиненасыщенных жирных кислот, происходит окислительный распад витаминов и других биологически активных веществ, а также накопление различных продуктов окисления. Редуцирующие сахара, вступая во взаимодействие с аминосоединениями, образуют высокомолекулярные продукты конденсации, происходит денатурация белков, меняется форма плодов, естественная окраска, запах и вкус, понижается способность набухать и удерживать воду, плоды становятся менее стойкими в хранении [20, 97]. Кроме того, красящие пигменты, например, свекольного сока, из которого получают порошковый краситель [22], отличаются своей неустойчивостью к различным внешним воздействиям, которые ведут их к разрушению. Поэтому при выборе оптимальных режимов сушки необходимо учитывать все характерные свойства растительного сырья.
Показателем термоустойчивости растительного сырья принято считать максимально допустимую температуру нагрева их в процессе сушки. Изучив литературу [L-3, 5, 98, 99], приходим к выводу, что температура объекта сушки должна быть не выше 60С, а температура теплоносителя с учётом тепловых потерь не выше 70-80С.
Также необходимо учитывать не только максимальную температуру продукта, но и скорость доведения его до этой температуры, время выдержки продукта при максимальной температуре. Скорость нагрева и обезвоживания продуктов при различных методах сушки зависит от их теплофизических, электрофизических и массообменных характеристик. В различных интервалах влажности продуктов основную роль играют определённые эти характеристики. Интенсивность сушки зависит от физико-химических свойств материала и движущей силы процесса. Движущей силой переноса влаги могут быть градиенты концентрации влаги, температуры, осмотического давления, общего давления внутри тела и другие. Процесс сушки может быть интенсифицирован за счет увеличения кинетических коэффициентов и движущих сил [35,100-101].
Сушка растительного сырья - длительный и энергоемкий процесс, интенсификация которого является достаточно актуальной задачей. Одним из способов интенсификации процесса сушки растительного сырья является применение пониженного давления в аппарате. Понижение давления в аппарате позволяет исключить перегрев материала и проводить процесс сушки в более "мягком" температурном режиме, обеспечивая сохранение всех качеств исходного продукта. Это происходит из-за снижения температуры испарения влаги при понижении давления. Температура материала в первом периоде постоянной скорости сушки зависит от поддерживаемого давления внутри аппарата [102].
Непрерывный отсос паров испарившейся влаги приводит к уменьшению концентрации паров влаги в окружающем материал пространстве и поддерживает постоянный градиент концентрации влаги в аппарате. При понижении давления над материалом резко увеличивается скорость испарения поверхностной влаги, так как коэффициент массообмена в первом приближении обратно пропорционально давлению.
Одним из направлений интенсификации процессов тепло- и массообмена является применение вибрационного воздействия [55,103-104]. Вибрационное перемешивание позволяет увеличить коэффициент теплообмена между корпусом и загрузкой. Вибрация создает в объеме аппарата взвешенное состояние материала, в котором происходит непрерывное интенсивное перемешивание. Это позволяет исключить градиент влажности и температуры в объеме материала и обеспечить удаление поверхностной влаги по всему объему загрузки.
Изотермичность виброкипящего слоя позволяет проводить процесс сушки при более высоких температурах, чем это допустимо в неподвижном слое. Ценные качества исходного сырья при этом не снижаются, что особенно важно при сушке термолабильных материалов [55, 56]. Однако необходимо знать оптимальные параметры вибрационного воздействия, обеспечивающие интенсивное перемешивание, которое определяет теплообмен между греющей поверхност ью и обрабатываемым материалом.
Перспективным направлением решения проблемы интенсификации является совмещение процессов сушки и измельчения в одном аппарате. Измельчение осуществляется мелющими телами за счет вибрации аппарата. Они непрерывно измельчают высушиваемый материал, постоянно увеличивая и обновляя поверхность испарения, обеспечивая тем самым, проведение процесса сушки до полного удаления влаги в первом, наиболее интенсивном периоде.
Известно [105], что резкое увеличение поверхности дисперсного материала в совокупности с одновременным использованием активных внешних аэродинамических условий, позволяет существенно интенсифицировать процесс сушки и в несколько раз сократить время сушки.
Авторами [106] были рассмотрены физико-механические эффекты и явления, протекающие в процессе измельчения - сушки дисперсных материалов. Этот процесс сопровождается массовым образованием дефектов и дислокаций. Энергия для протекания активационных процессов черпается из энергии напряженного состояния разрушаемого материала, упругих и пластических деформаций. Однако тепло, образованное за счет измельчения незначительно по сравнению с подводимой извне тепловой энергии, в расчетах не учитывается. Интенсификация процесса сушки в измельчителях - сушилках связана со следующими механоактивационными эффектами. 1. Повышенная энергия решетки, связанная с ростом числа дислокаций, вышедших на поверхность частицы, сообщает дополнительную движущую силу для ее испарения. Повышение плотности дефектов структуры (дислокаций, вакансий, пор) выше равновесной вызывает увеличение скорости сушки. При этом энергия активации сушки понижается. 2. Высокоинтенсивное механическое нагружсние приводит к возникновению градиентов температур и давлений в объеме частицы. Это приводит к возникновению механических напряжений, образуются трещины, поры, микропоры, появляется обьемная зона сушки. Волновой характер напряжений и деформаций при ударных нагружениях приводит к расширению капилляров в одних зонах частиц и их сужению в других, что также способствует быстрой механической транспортировке влаги из капилляров к поверхносіи испарения. Высокая линейная скорость движения и степень турбулизации потоков загрузки в вибрационной мельнице приводит к «мгновенному» удалению влаги с поверхности частиц. Эффективность измельчения в вибромельнице зависит от ее конструктивных особенностей и габаритов рабочей камеры, размера, формы и плотности мелющих тел, количества и гранулометрического состава измельчаемого материала, условий его поступления и удаления из рабочей камеры и другие [47-50]. Однако основными факторами, определяющими интенсивность работы вибромельницы, являются параметры вибрационного воздействия на слой материала (траектория колебаний, час і ота, амплитуда).
Описание экспериментальной установки и методики проведения опытов в вибрационной сушилке-мельнице непрерывного действия и обработки опытных данных
Анализируя кривые скорости сушки и изменение влажности можно сделать следующие выводы и заключения. Зависимость скорости сушки мятых и цельных ягод черной смородины (Рисунки 4.14-4.15) показывает, что увеличение количества свободной влаги и поверхности массообмена увеличивает скорость сушки и продолжительность первого периода постоянной скорости сушки.
Сравнение контактной сушки материалов в шкафах при атмосферном давлении и вакууме (Рисунки 4.6-4.13) показывает, что снижение давления до 20 кПа увеличивает скорость сушки в 1,2-1,5 раза.
Вибрационное перемешивание в процессе сушки способствует интенсивному теплообмену между греющей поверхностью и загрузкой за счет перераспределения нагретых частиц в объеме загрузки, что выравнивает температуру и влажность в нем. Таким образом, в процессе вибрационной сушки (Рисунки 4.6-4.13) скорость процесса возрастает в 3-3.5 раза по сравнению с контактной сушкой при атмосферном давлении.
Основная интенсификация сушки растительного сырья происходит за счет применения одновременного вибрационного измельчения в процессе сушки, что позволяет проводить процесс исключительно в первом периоде за счет постоянного увеличения поверхности удаления влаги, что увеличивает скорость процесса (Рисунки 4.4-4.13) в 4-5 раз по сравнению с контактной сушкой при атмосферном давлении.
Расчетные кривые изменения влажности и температуры среды в процессе сушки, удовлетворяют экспериментальным данным (Рисунок 4.16).
С учетом влияния физико-механических и теплофизических особенностей растительного сырья полученные экспериментальные данные могут использоваться при создании научно обоснованной методики расчета процесса получения порошков в вибрационной сушилке-мельнице непрерывного действия. 1. Выбраны параметры сушки (температура 80±1С, давление 20000 Па) термолабильного растительного сырья, обеспечивающие сохранение качества исходного сырья и достаточную интенсивность процесса. 2. Проведен анализ литературы по кинетике сушки, показавший, что применение существующих математических моделей для описания сушки при пониженном давлении в процессе получения порошков приведет к большим погрешностям расчетов, так как они не учитывают влияния смешения и измельчения, сопутствующих процессу сушки. 3. Предложено математическое описание процесса получения порошков из растительного сырья на основании математической модели сушки при пониженном давлении с комбинированным подводом тепла с учетом особенностей теплообмена и кинетики измельчения в ВСМ. 4. Проведены экспериментальные исследования по оценке степени влияния вакуума, вибрации, измельчения на кинетику сушки, на основании которых доказана эффективность предложенной технологии. 5. Предложенное математическое описание процесса получения порошков адекватно описывает эксперимент. При этом, среднестатистическая ошибка не превышает 10%. 6. Математическое описание процесса получения порошков и экспериментальные исследования позволили сделать вывод, что основное влияние на кинетику процесса оказывает теплообмен между корпусом и материалом, который определяется характером движения и взаимодействия загрузки с корпусом аппарата в данном процессе. 7. Соблюдение оптимальных параметров вибрации, обеспечивающих максимальную скорость смешения, очень важно для ведения процесса сушки при максимально интенсивном теплообмене. Вибрационные сушилки-мельницы периодического действия имеют ограниченные объем и производительность из-за предельно допустимого уровня шума. Практика эксплуатации вибрационных смесителей показала, что предельный объем их не может превышать 200 л. Большие габариты имеют уровень шума, превышающий допустимый. Поэтому эти аппараты необходимо устанавливать в отдельных помещениях с выводом обслуживающего персонала и организацией дистанционного управления. В случае превышения рассчитанного объема аппарата рекомендуемых размеров выбирается 2 или большее число аппаратов, суммарный объем которых будет обеспечивать требуемую производительность. При необходимости большей производительности необходимо переходить к непрерывным аппаратам, которые при тех же габаритах и инерционных силах имеют большую пропускную способность.
