Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние проблемы и анализ работы сушильных установок барабанного типа 7
1.1. Классификация барабанных сушилок 7
1.2. Виды движения сыпучих пищевых продуктов во вращающимся барабане
1.2.1. Движение продукта в горизонтальном барабане 12
1.2.2. Движение продукта с положительным углом наклона 17
1.2.3. Движение продукта с отрицательным углом наклона
1.3. Механизм динамики сушки в движущемся слое на цилиндрической поверхности 23
1.4. Аналитические исследования конвективной сушки в аппаратах с вращающимся барабаном 30
1.5. Постановка теоретических и экспериментальных задач и методов их решения 38
ГЛАВА 2. Гидродинамическая обстановка движущегося слоя в аппаратах с вращдюіігймся барабаном .41
2.1. Техника и методика проведения исследований в экспериментальной установке 42
2.2. Сопоставление распределений воздушных потоков через слой сыпучего продукта 48
2.3. Описание функций расхода теплоносителя в газораспределительных каналах 51
2.4. Закономерности движения сыпучих продуктов в барабанной слоевой сушилке 56
2.4.1. Движение сыпучего продукта в плотном движущемся продуваемом слое
2.4.2. Определение количества продукта и времени его пребывания в барабане 65
2.5. Влияние гидродинамических условий установившегося режима на пропускную способность барабанных сушилок 68
ГЛАВА 3. Анализ и оптимизация режимов работы и элементов конструкций вращающихся барабанов с канальной насадкой 71
3.1. Исследование неравномерности движения частиц сыпучего продукта 71
3.2. Влияние коэффициента внешнего трения на характер движения... 86
3.3. Определение мощности привода слоевой барабанной сушилки 92
3.4. Конструктивные решения основных узлов барабана со щелевым подводом теплоносителя 102
ГЛАВА 4. Повышение эффективности кинетики сушки масличных семян в барабанной сушилке с канальной насадкой 111
4.1. Тепловая эффективность сушильного барабана с рециркуляцией теплоносителя 111
4.2. Обоснование режимов сушки семян подсолнечника в плотном движущемся продуваемом слое 115
4.3. Кинетика сушки масличных семян в барабанной сушилке с канальной насадкой 118
4.4. Влияние способа и режима сушки на качественные показатели семян подсолнечника 126
4.5. Масштабное моделирование процесса сушки семян сои 132
4.6. Разработка способов управления процессом сушки масличных семян 138
ГЛАВА 5. Практическая реализация научных и проектно-конструкторских исследований .. 142
5.1. Пути совершенствования конструкций сушилок барабанного типа 142
5.2. Разработка и внедрение сушильных аппаратов с вращающимся барабаном. 149
5.3. Экономическая эффективность применения барабанной слоевой сушилки. 155
Общие выводы 160
Библиографический список
- Виды движения сыпучих пищевых продуктов во вращающимся барабане
- Сопоставление распределений воздушных потоков через слой сыпучего продукта
- Определение мощности привода слоевой барабанной сушилки
- Обоснование режимов сушки семян подсолнечника в плотном движущемся продуваемом слое
Виды движения сыпучих пищевых продуктов во вращающимся барабане
Прямоточные барабанные сушилки наиболее распространены в пищевой промышленности. Процесс сушки в них происходит в разрыхленном пересыпающемся с полок слое сыпучего материала, а агент сушки омывает ссыпающийся продукт, высушивает его и дополнительно выполняет функцию по транспортированию внутри барабана [50].
Противоточные; барабанные сушилки применяются для сушки сыпучих продуктов с малой влагопроводностью, когда в конце процесса при незначительной скорости сушки материал подвергается воздействию сушильного агента с более высокой температурой.
Барабанные сушилки выпускают диаметром от 0,3 до 5,5 м и длиной от 2 до 35 м, причем время пребывания материала в таких сушилках колеблется от 10 до 150 мин. Вращающийся барабан с частотой вращения от 1 до 15 мин-"1 свободно опирается гладкими бандажами на опорные ролики. Процесс сушки происходит под небольшим разрежением во избежание утечки агента сушки через неплотности. Сочленение вращающегося барабана с загрузочной и разгрузочной камерами осуществляется через контактные или лабиринтные уплотнения. Загрязненный отходящий теплоноситель очищается в циклоне, а в некоторых случаях - в мокром скруббере или тканевом фильтре.
Применение двухбарабанных сушилок позволило увеличить путь движения материала и повысить степень использования тепла сушильного агента.
Барабанные сушильные агрегаты выпускаются различными фирмами США, Англии, Франции, Германии и др. Так, фирма "Овэртон" (США) выпускает сушильные барабаны, конструкции которых позволяют менять положения и наклон полок подъемно-лопастной системы. Фирмы "Бютнер" и "Майер" (Германия) изготавливают барабанные сушилки с повышенной степенью наполнения, с совершенной системой распределительных полок, с противоточ-ным движением сушильного агента и материала внутри нескольких концентрически расположенных барабанов и т.д. [41, 68].
Наибольший интерес представляют барабанные сушильные агрегаты с перекрестным движением. Фирмы "Линк Белт" (США) и "Данфорд энд Эллиот" (Англия) выпускаю барабанные сушилки типа "Ротари Лувр Драйес" с поперечной продувкой движущегося слоя продукта, в которых за счет щелевого подвода теплоносителя обеспечивается высокая равномерность нагрева и сушки единичных частиц материала [51].
При построении адекватного описания технологии непрерывной сушки влажных сыпучих материалов в движущемся слое необходим комплексный подход к проблеме, который в настоящее время немыслим без системного анализа гидродинамических, диффузионных и тепловых процессов, осложненных наложением большого числа явлений различной природы [20]. Создание целостной теоретической картины непрерывного процесса сушки основывается на построении математической модели, связывающей набор типовых структур (типовых идеализированных моделей), каждая из которых отражает тот или иной тип переноса или превращения субстанции. 1.2 Виды движения-сыпучих пищевых продуктов во вращающемся барабане
Барабанные сушилки с подъемно-лопастной системой устанавливаются горизонтально, а также наклонно, причем наклон барабана может быть как в сторону движения агента сушки (положительный угол наклона), так и в противоположную сторону (отрицательный угол наклона) [31]. При горизонтальной установке барабана перемещение сыпучего продукта в осевом направлении происходит под действием гидродинамического давления потока сушильного агента. При наклонной установке барабана движение продукта в осевом направлении происходит под действием двух сил: силы гидродинамического давления потока сушильного агента и осевой составляющей силы тяжести частиц.
При вращении барабана частицы сыпучего материала поднимаются лопатками и, скатываясь с них, падают вниз (рис. 1.2). Через барабан движется газовый поток с постоянной скоростью v, направленной по оси барабана. Отделившись от лопатки в произвольной точке А частица сыпучего материала падает вниз под действием силы тяжести. Примем за начало координат точку отрыва частицы от лопатки и рассмотрим движение частицы в направлении оси X. Используя дифференциальное уравнение движения материальной точки, определим движение частиц в направлении оси X:
Сопоставление распределений воздушных потоков через слой сыпучего продукта
Основными задачами экспериментального исследования процесса тепло-и массообмена при сушке в аппаратах с вращающимся барабаном являются: создание различных режимов конвективной сушки сыпучих пищевых продуктов на цилиндрической поверхности, изыскание возможности совершенствования конструктивных параметров и свойств продукта, определение температур и влагосодержаний материала в движущемся слое, полей влагосодержаний и температур высушиваемого продукт, потока влаги и тепла в установившемся режиме при различных параметрах процесса.
Выполнение этих задач возможно только на специальных экспериментальных установках с использованием новейших методик и приборов, когда характер протекания процесса сушки в теплофизическом отношении максимально приближен к существующим промышленным сушильным установкам.
Поскольку в сушильных аппаратах с вращающимся барабаном все стадии сушки протекают одновременно в различных по длине зонах сушильной камеры, кривая сушки сыпучего продукта при его перемещении вдоль его барабана асимптотически приближается к равновесному влагосодержанию, а скорость сушки стремится к нулю.
Для выполнения поставленных задач необходимо в течении эксперимента непрерывно фиксировать температуру теплоносителя и продукта в определенных точках и определять его влагосодержание не нарушая процесса непрерывности [26].
В качестве объектов исследования были использованы типичные сыпучие пищевые продукты - семена подсолнечника и сои, эфиромасличные и зерновые культуры (пшеница, ячмень и др.), а также овощи и фрукты. Выбранные для сушки продукты имеют сложное высокомолекулярное строение, обладают высокой степенью дисперсности и большой поверхностью раздела, что приводит к сложному характеру взаимодействия их с влагой. Подвергаемые сушки сыпучие продукты являются термолабильными и нагревать их можно только для определенной температуры с соответствующей скорость и продолжительностью выдержки.
Основными компонентами исследуемых сыпучих пищевых продуктов являются белки, жиры и углеводы, наиболее подвергаемые биохимическим превращениям при сушке. От поведения белков, жиров и крахмала при их нагревании в присутствии влаги в основном определяется качество высушиваемых продуктов. Например, известно, что денатурация белков, разложение жиров и клейстеризация крахмала начинается при температуре 55...58 С, повышение температуры продукта до 125... 130 С приводит к карамелизации Сахаров и другим нежелательным процессам.
Существенное влияние на скорость сушки семян масличных и зерновых культур оказывает величина их удельной поверхности и порозности. Теплоемкость этих продуктов зависит от биохимического состава и соотношения их составных частей. Так средняя теплоемкость абсолютно сухих азотистых веществ составляет 1,41 кДж/(кг-К), жиров - 2,05 кДж/(кг-К), клетчатки - 1,33 кДж/(кг-К), причем при повышении температуры теплоемкость семян увеличивается.
Интенсивность "сушки сильноструктурированных коагуляционных структур существенным образом зависит от интенсивности внутреннего тепловлаго-переноса. Поэтому при выборе методов подвода тепла предпочтение отдавалось тем методам, которые позволяли максимально использовать внешнюю поверхность продуктов, для чего использовали движущийся перемешиваемый слой с применением их энергоподвода.
Экспериментальные исследования по сушке проводились или в естественных условиях, или с искусственно увлажненными сыпучими продуктами, отлежка которых производилась с перемешиванием при температуре 10... 15 С в течение 3...4 суток;Влажность этих материалов контролировалась при помощи влагомера ПВЗ-ЮД без предварительного размола сыпучего продукта, принцип которого основан на измерении приращения емкости преобразователя-конденсатора, в который помещалась порция продукта массой 100±0,4 г. Контролировалась влажность материала методом высушивания проб в сушильном шкафу при температуре 130 С в течение 40 минут.
Для регистрации непрерывной убыли массы продукта в процессе высушивания, внутри вакуумной сушильной камеры на специальной подставке размещали квадратные весы марки ВКЛ-500 г-М, на чашу которых устанавливали противень с исследуемым продуктом. Регистрацию убыли массы производили по шкале весов визуально через смотровое стекло.
С целью проведения исследований процесса сушки влажных сыпучи продуктов в плотном движущемся продуваемом слое и решения поставленных задач использовалась экспериментальная барабанная сушилка с канальной насадкой, принципиальная схема которой приведена на рисунке 2.1 [48]. А-А Вид В
Определение мощности привода слоевой барабанной сушилки
Соответствие сушилки условиям эксплуатации состоит не только в совершенстве технологического процесса, правильности расчета, энергетической экономичности, но и в высокой надежности, долговечности всех ее узлов и механизмов. Большинство узлов и механизмов слоевой сушилки такие же, как и в обычных барабанных сушилках. Это барабан, бандажи, опорные и упорные ролики, привод средства для получения и подачи сушильного агента, средства для очистки отработавшего сушильного агента [82].
Слоевая барабанная сушилки имеет и новые специфичные узлы, оптимальные решения которых велись обычными конструкторскими приемами и методами.
На рис. 2.4 показано одно из возможных конструктивных решений каналов для подачи сушильного агента. Каналы а, Ь, с ограничены обечайкой барабана, радиальными перегородками и коническим ситом. Конструкция проста и технологичная в изготовлении. Сито выполнено коническим, а не цилиндрическим для увеличения полезного объема барабана. Очевидно, что количество сушильного агента, проходящего через сечение канала, неодинаково по длине канала: в начальном сечении канала сушильного агента проходит больше, чем в последующих, так как сушильный агент удаляется через слой продукта. В связи с тем, что количество сушильного агента, проходящего через сечение канала по длине сушилки уменьшается, можно уменьшить и само сечение. При установке конического сита площадь сечения каналов уменьшается пропорционально расстоянию от загрузочного конца. Данная конструкция каналов изготовлена и испытана на различных- пищевых продуктах. Длительные испытания обнаружили два недостатка: 103 - продукты с высокой адгезией, такие как поваренная соль, молочный сахар со временем забивают отверстия сита, что резко снижает работоспособность сушилки; - мелкие частицы полидисперсных продуктов при остановках барабана проникают через отверстия сита в каналы. Требуется периодическая продувка каналов, что усложняет конструкцию.
Для других продуктов, таких как семена подсолнечника, ячмень, сырой солод данная конструкция достаточно надежна и работоспособна.
Поперечное сечение слоя продукта в барабанной сушилке представляет собой сегмент, поэтому толщина слоя неодинакова. На рис. 2.4 толщина слоя над каналом b больше, чем над каналами а и с. Скорость сушильного агента зависит от толщины слоя: там, где толщина слоя продукта больше, скорость сушильного агента меньше. На рис. 3.11 показано поперечное сечение барабана, в котором толщина слоя, пронизываемого сушильным агентом, одинакова, что обеспечивает постоянную скорость последнего во всех каналах, которые ограничены сплошной обечайкой 1, коническим ситом 2 и радиальными перегородками 3. Сушильный агент подается только в те каналы, которые находятся под слоем продукта, на рисунке эти каналы обозначены буквами а - е. Сушильный агент, пройдя через слой продукта, подается в коническую перфорированную трубу 4. Толщина слоя продукта во всех сечениях сушилки одинакова, что обеспечивает постоянство скорости сушильного агента во всех каналах.
Для продуктов с высокой адгезией, а также для полисперсных продуктов, которые содержат мелкие частицы, проникающие через отверстия сита, разработана и практически проверена система каналов, показанная на рис. 3.12. Каналы образованы обечайкой барабана 1, радиальными перегородками 2 и фигурными лопатками 3, которые перекрывают друг друга на величину m и образуют щели шириной h. Сушильный агент подается только в те каналы, щели которых находятся под слоем продукта. На чертеже эти каналы обозначены буквами а - d. Профиль и размеры лопаток рассчитаны так, чтобы сушильный агент мог уходить через слой, но продукт не мог попадать в каналы. При вра 104 щении барабана продукт, пересыпаясь через край лопатки (точка В на рис. 3.12), попадает на поверхность СД другой лопатки, образует небольшой слой, также расположенный под углом естественного откоса продукта. Следовательно, отрезок ВС расположен под углом 0 к горизонтальной прямой.
Если бы лопатка повернулась на угол 180, то наклон ее горизонтальной прямой составил а. Но так как лопатка повернулась на угол 2р, наклон ее больше а на величину 180 - 2(3. Продукт, попавший между лопатками, сойдет вниз, если угол наклона лопатки при выходе из слоя не меньше 0. а + 18О-2р = 0 + Д, (3.71) где А - увеличение угла наклона лопатки для гарантированного ссыпания продукта во время выхода лопатки из слоя. Практическим путем установлено, что при Л = 5... 10 удаление продукта с лопатки гарантировано. Поставив (3.70)"в (3.71) и сделав преобразования, получим CD = —І— н. (3.72) tgjl80-2p-A) 106 Для того, чтобы продукт не попадал в канал, нижняя лопатка должна быть перекрыта верхней лопаткой на величину m CD. Размеры и профиль лопатки определяются в следующей последовательности. При заданной углом (3 степени наполнения барабана и известном угле естественного откоса, продукта под углом ф к вертикальной оси сечения проводится радиус. По рис.. 3.12. очевидно, что р = (3 - 0.
Из уравнения (3.72) определяется минимальная величина перекрытия лопаток СД. Фактическое перекрытие лопаток целесообразно сделать максимально допустимым конструкцией, что зависит от числа лопаток. Ширина щели между лопатками h назначается, исходя из количества сушильного агента, поступающего в сушилку. Описанная система каналов для подачи сушильного агента испытана на лабораторной и полупромышленной сушилке, показав высокую надежность при работе с самыми различными пищевыми продуктами.
В слоевой барабанной сушилке требуется специальное распределительное устройство для подачи сушильного агента только в те каналы, которые находятся под слоем продукта (рис. 3.13), которая технологична при изготовлении, надежна в работе и удобна в обслуживании. К обечайке барабана 1 приварен фланец 2 и фигурные лопатки 3, образующие каналы 4 для подачи сушильного агента. Вход в барабан закрыт неподвижной стенкой 5, которая в трех точках крепится к раме 6. Соосность неподвижной стенки и барабана регулируется с помощью прокладок 7. Неподвижные детали стыкуются с вращающимися так, чтобы зазор 5 был минимальным. Для предотвращения подсоса окружающего воздуха через зазор 5 предусмотрено контактное уплотнение, представляющее собой резиновую полосу 8, закрепленную на стенке 5 хомутом 9. Стенка имеет круглое отверстие 10 для подачи продукта и отверстие 11 в виде кольцевого сектора для подачи сушильного агента. Через прокладку к стенке крепится переходник 12, который присоединяется к трубе для подачи сушильного агента.
Обоснование режимов сушки семян подсолнечника в плотном движущемся продуваемом слое
Сыпучий продукт поступает в барабан сушилки с помощью шнекового питателя 10 через окна 7 (участок I на рис. 5.1). В начале перфорированной центральной трубы 6 имеется сплошная перегородка 9, которая не пропускает продукт внутрь трубы. Продукт занимает пространство между перфорированными цилиндрами 4 и 6. При этом толщина слоя, пронизываемого теплоносителем (рис. 5.2), одинакова, что обеспечивает постоянную скорость последнего во всех каналах, которые ограничены сплошной обечайкой 3 барабана 1, ситом 4 и радиальными перегородками 5. Теплоноситель подается только в те каналы, которые находятся под слоем продукта (каналы обозначены а, б, с, d, е). Теплоноситель, пройдя через слой продукта, подается в центральную перфорированную трубу 6 (участок II на рис. 5.1).
За счет наклона барабана под углом а, при его вращении, продукт перемещается к разгрузочному концу. В конце центральной перфорированной трубы 6 через окна 8 продукт попадает внутрь и вместе с отработанным теплоносителем выносится в осадительную камеру 11 (участок III нарис. 5.1). Продукт удаляется из сушилки через шлюзовый затвор 12, а отработанный теплоноситель через патрубок 13.
В предлагаемой конструкции барабанной сушилки степень наполнения может достигать 60 % и более от внутреннего объема барабана, а скорость теплоносителя во всех каналах обеспечивается одинаковой, так как одинакова толщина слоя, через который движется теплоноситель [81].
С целью снижения мощности приводного двигателя и обеспечения работы двигателя в безударном режиме, путем снижения максимального крутящего момента, а также повышения его надежности, предлагается оригинальная конструкция барабанного агрегата (рис. 5.3) [36]. Барабанный агрегат содержит корпус 1 с плоским ситом 2, а также бандажи 3, опирающиеся на ролики 4. Под ситом параллельно оси вращения барабана на его внутренней поверхности укреплен противовес 5.
Если к барабану без продукта прикрепить груз, то график зависимости крутящего момента М этого груза относительно оси вращения барабана от угла его поворота а имеет,форму синусоиды.
Зависимость М.от а для барабана с продуктом и с применением противовеса показывает, что максимальный крутящий момент, а, следовательно, и мощность приводного двигателя снижаются в 1,5 раза, а работа привода становится безударной, так как крутящий момент не принимает отрицательных значений. Конструктивно противовес удобно изготовить в виде железобетонного бруска и укрепить внутри барабана под плоским ситом параллельно оси вращения.
Сыпучий продукт, находящийся в корпусе 1 на сите 2 барабанного агрегата, продувается кондиционированным воздухом и перемешивается в резуль 146 тате медленного вращения корпуса 1, внутри которого укреплен под плоским ситом 2 параллельно оси вращения барабана противовес 5, масса которого G М определяется из уравнения G = ——, где Мп - максимальное значение крутяще g 1 го момента противовеса, Н-м; 1 - расстояние от оси вращения до центра тяжести противовеса, м. Готовый продукт удаляется за пределы корпуса через соответствующие люки.
С целью обеспечения максимального количества частиц сыпучего материала, находящихся во взвешенном состоянии и их равномерном распределении по сечению барабана предлагается оригинальная барабанная сушилка с периферийной лопастной насадкой (рис. 5.4) [37, 40]. Сушилка содержит вращающийся барабан радиусом R с торцевыми крышками, на внутренней стороне которого установлены лопатки оригинального профиля, построенного в полярных координатах
Барабанная сушилка с периферийной лопастной насадкой г = ад/sin ф, где а - максимальное значение радиуса, м; ф - угол поворота лопатки. 147 Лопатки ориентированы относительно корпуса барабана таким образом, что прямая проведенная через ось вращения барабана и начало координат профиля лопатки, имеет угол с касательной к профилю лопатки, проведенной из начала координат, равный углу естественного откоса сыпучего материала, причем от начала координат профиля до точки касания профиля лопатки с корпусом барабана в направлении против часовой стрелки лопатка имеет открытый участок.
Барабан приводится во вращение и одновременно загружается исходным влажным материалом, причем теплоноситель подается в продольном направлении. Сыпучий продукт захватывается лопатками и постепенно ссыпается в поток теплоносителя, равномерно распределяясь по сечению барабана. В этот период каждая частица со всех сторон омывается сушильным агентом и высушивается в интенсивном режиме.
С целью снижения нагрузки на опорные ролики, уменьшения мощности приводного электродвигателя и значений коэффициента трения скольжения предлагается оригинальный сушильный аппарат с фрикционным приводом барабана (рис. 5.5) [15]. Барабан установлен с возможностью вращения от двух опорных роликов, соединенных с приводом и расположенных на левой стороне относительно оси вращения барабана (при вращении его по часовой стрелке) или на правой стороне (при вращении его против часовой стрелки).
Сушильный аппарат с фрикционным приводом барабана (рис. 5.5) содержит корпус 1 барабана, на котором закреплено два опорных бандажа 2, опирающихся на 4 ролика 3, 4, 5 и 6, а на внутренней поверхности корпуса 1 по всему периметру установлены фигурные лопатки. Барабан установлен с возможностью вращения от двух опорных роликов 3 и 4, соединенных с приводом и расположенных на левой стороне относительно оси вращения барабана, установленного с возможностью вращения по часовой стрелке или на правой стороне при вращении его против часовой стрелки.
