Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования 8
1.1 Влажные материалы как объекты сушки 8
1.1.1 Влажность и влагосодержание материала 8
1.1.2 Теплофизические характеристики материала 10
1.1.3 Влажный воздух и его свойства 11
1.2 Основные понятия сушки 13
1.2.1 Испарение влаги со свободной поверхности при сушке 14
1.2.2 Тепло - и влагоперенос в процессе сушки 16
1.3 Анализ способов сушки 20
1.4 Сушка инфракрасными лучами 33
1.5 Классификация сушильных установок 35
1.6 Обзор научных исследований по изучению процесса сушки инфракрасными лучами 45
1.7 Основные выводы из анализа состояние вопроса сушки гранулированных кормов 48
1.8 Цель и задачи исследования 49
2 Теоретические исследования рабочегопроцесса сушки 50
2.1 Описание конструкции и принципа действия сушильной установки... 50
2.2 Тепловой расчет сушильной установки 52
2.3 Расчет энергетической освещенности, создаваемой ТЭНом 60
2.4 Расчет температуры поверхности под воздействием воздуха 63
2.5 Расчет длительности процесса сушки 68
2.6 Расчет расхода электроэнергии на сушку 69
2.7 Выводы по теоретическим исследованиям рабочего процесса сушки... 72
3 Программа и методики исследований 73
3.1 Программа экспериментальных исследований 73
3.2 Описание экспериментальной установки 73
3.3. Методика определения физико - механических свойств кормов 74
3.3.1 Методика определения влажности гранул 75
3.3.2. Методика определения крошимости гранул 75
3.3.3 Методика определения производительности сушильной установки 77
3.3.4. Методика определения скорости воздушных потоков 77
3.3.5 Методика определения температуры внутри гранул в процессе сушки 78
3.3.6 Методика определения мощности, затрачиваемой на
процесс сушки 79
4 Результаты экспериментальных исследований 80
4.1 Оценка влияние параметров на процесс сушки 80
4.2 Краткие выводы по экспериментальным исследованиям 96
5 Экономическая эффективность сушильной установки гранулированных кормов 98
Общие выводы 104
Список используемой литературы 105
- Испарение влаги со свободной поверхности при сушке
- Расчет температуры поверхности под воздействием воздуха
- Методика определения крошимости гранул
- Оценка влияние параметров на процесс сушки
Введение к работе
Для повышения продуктивности животных, увеличения производства продукции животноводства и снижения ее себестоимости, важным условием является полноценное кормление, предусматривающее выдачу животным полнорационных многокомпонентных кормовых смесей. Такие смеси значительно лучше перевариваются животными и способствуют повышении продуктивности на 10-14%. Многочисленными исследованиями выявлено, что наиболее рационально скармливать коровам полнорационные кормосмеси, приготовленные непосредственно перед раздачей. Данные кормосмеси можно готовить в выпускаемых промышленностью кормоцехах типа КОРК-15. Однако анализ работы таких кормоцехов показал, что оборудование в их составе используется с низкой эффективностью из-за организационно-технических и технологических недостатков: простоев кормоцехов в летне-пастбищный период, низкой надежности отдельных узлов и механизмов, что приводит к простою оборудования в зимне-стойловой период, и как следствие, сбою в режиме кормления животных. Избежать этого можно, создав запас прессованных кормосмесей. Но при кормлении крупного рогатого скота брикетированными кормами у них нарушается работа рубца, уменьшается продуктивность и снижается жирность молока, поэтому наиболее эффективной формой прессованных кормов для крупного рогатого скота является кормовая смесь из различных компонентов, приготовленная в виде гранул.
Полнорационные гранулы по физической форме более отвечают физиологическим потребностям молочных коров, чем гранулы из частиц мелкого помола.
На качество гранулированного кормов влияет технология приготовления, в том числе и высокотемпературная или низкотемпературная сушка.
В то же время обнаружено, что некоторые незаменимые аминокислоты, входящие в состав травяного белка, в процессе высокотемпературной сушки
разлагаются топочными газами, образуя нерастворимые формы коллоидов -пектиновые вещества, которые резко снижают перевариваемость клетчатки.
Поэтому весьма актуальным является вопрос изыскания наиболее рациональных технологий, режимов и параметров сушильного оборудования.
Целью настоящих исследований является обоснование режимов процесса сушки кормов и параметров сушилки для снижения энергозатрат и повышения качества готового продукта при производстве гранулированных кормов.
На основании обзора научных публикаций, патентных материалов и в соответствии с поставленной целью работы сформулированы следующие задачи исследований:
1) на основании анализа существующих способов и технических
средств обосновать рациональный способ приготовления гранулированных
кормовых смесей;
2) разработать теоретические положения по взаимосвязи режимов
процесса и параметров сушки гранулированных кормов, отражающие осо
бенности процесса сушки;
3) исследовать и обосновать конструкционные параметры сушилки
гранулированных кормов в процессе сушки;
экспериментально проверить теоретические положения обоснования параметров сушилки гранулированных кормов;
провести технико-экономическую оценку процесса сушки гранул в технологической линии получения гранулированных кормов.
Объект исследований - процесс сушки гранулированных кормов инфракрасными лучами.
Общая методика исследований предусматривала разработку теоретических предпосылок, их экспериментальную проверку в лабораторных и производственных условиях и экономическую оценку результатов исследований.
Теоретические исследования выполнялись с использованием основных
положений, законов и методов классической механики и математики. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях на основе общепринятых методик, а также по частным методикам, разработанным с использованием теории планирования многофакторного эксперимента. Основные расчеты и обработка результатов экспериментов выполнялись с использованием методов расчетов на ПЭВМ.
На конструкцию инфракрасной сушильной установки гранулированных кормов оформлена заявка на изобретение.
Практическое значение работы. Установлены оптимальные режимы процесса сушки гранулированных кормов по температуре нагрева поверхности гранул, длительности процесса сушки, интенсивности подачи воздуха и начальной влажности гранул.
Реализация результатов исследований. Сушильная установка гранулированных кормов внедрена в крестьянско-фермерских хозяйствах «Шилов Л.Ф.» и «Ковалевский В.А.» Тамбовского района Амурской области.
Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях.
Защищаемые положения:
аналитическая связь основных режимов сушильной установки гранулированных кормов с качественными показателями: удельной мощностью и конечной влажностью полученного гранулированного корма;
оптимальные режимы: температура нагрева поверхности гранул, длительность процесса сушки, интенсивность подачи воздуха, начальная влажность гранул;
математические модели, характеризующие удельную мощность процесса сушки, конечную влажность в полученном продукте;
энергетическая оценка исследуемых технологий;
новое конструкционное решение сушильной установки;
- результаты натурных испытаний технологии инфракрасной сушки гранулированных кормов с применением предложенной сушильной установки.
По основным положениям диссертации опубликовано 6 научных работ, одна из них в центральной прессе.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, библиографического списка использованной литературы, приложений. Работа содержит 120 страниц основного текста, 33 рисунка, 9 таблиц и 5 приложений. Список литературы включает 172 наименования, из них на 4 иностранном языке.
Испарение влаги со свободной поверхности при сушке
Интенсивность процесса высушивания меняется по мере удаления влаги, что наглядно демонстрирует кривая сушки на рисунке 1.1, построенная по экспериментальным данным. Первый период сушки характеризуется постоянной скоростью испарения (прямолинейный участок кривой). Снижение влагосодержания от начального значения WH до критического WK - это период постоянной скорости сушки.
Второй период сушки характеризуется уменьшением скорости испарения — криволинейный участок кривой от WK до W/ , (влагосодержание, соответствующее равновесному состоянию), его называют периодом убывающей скорости сушки. При достижении влагосодержания Wp скорость сушки равна нулю.
Соответственно с изменением влагосодержания в растительных тканях при сушке изменяется температура продукта. В первый период сушки при интенсивном испарении температура поверхности продукта не может превышать температуру испарения, т.е. температуру смоченного термометра. Во второй период сушки на поверхности, а затем и в глубинных слоях продукта температура повышается и к концу сушки достигает значения температуры сушильного агента [5, 26, 58, 166, 168].
Процесс обезвоживания продуктов в сушилках с помощью циркулирующего нагретого воздуха представляет собой комплекс одновременно протекающих и влияющих друг на друга явлений. К ним относятся: перенос тепла от нагретого воздуха (агента) к высушиваемому продукту через его поверхность (нагревание продукта), испарение влаги, перенос влаги с поверхности продукта в среду сушильной камеры, перемещение влаги внутри продукта.
Перенос тепла при сушке осложняется переносом влаги. При ее испарении с поверхности какого-либо продукта возникает перепад (градиент) влагосодержания между его наружным и внутренним слоями, что и обусловливает дальнейшее перемещение влаги из внутренних, более влажных участков к его поверхности, имеющей наименьшую влажность. При сушке, благодаря перепаду влагосодержания, влажность во всем объеме продукта непрерывно уменьшается.
На перемещение влаги внутри продукта также влияет градиент температуры. На поверхности продукта температура выше, чем в центральных слоях. Под влиянием температурного градиента часть влаги будет перемещаться по направлению теплового потока от поверхности к внутренним слоям. Явление перемещения влаги внутри продукта под влиянием градиента температуры называется термовлагопроводностыо (термодиффузией).
Явление термовлагопроводности при определенных условиях замедляет процесс сушки. При низкотемпературной сушке или обезвоживании относительно тонкого слоя объектов сушки термодиффузия не имеет существенного значения, но при высокотемпературной сушке целых плодов и овощей или ягод она существенно влияет на процесс, уменьшая его интенсивность. Для того чтобы снизить негативное влияние термодиффузии, применяют прерывистый (асцилирующий) режим сушки с переменной подачей к продукту нагретого и холодного воздуха. В результате этого приема обезвоживание продукта в процессе сушки ускоряется. В конечном итоге скорость процесса сушки обусловливается формой связи влаги с сухим веществом продукта и механизмом перемещения влаги в материале.
В период постоянной скорости сушки (первый период) интенсивность процесса определяется только параметрами сушильного агента и не зависит от влажности и физико-химических свойств продукта.
В период убывающей скорости сушки (второй период) скорость обезвоживания снижается по мере уменьшения влажности продукта, температура его постепенно увеличивается, приближаясь к температуре сушильного агента. Процесс сушки продолжается до достижения продуктом равновесной влажности, соответствующей параметрам воздуха в сушилке.
Процесс сушки происходит качественно, если скорость испарения влаги с поверхности продукта равна скорости перемещения влаги из глубинных слоев. При быстром испарении на поверхности появляется корка, препятствующая выделению влаги, что снижает скорость сушки, а при медленном испарении продукт запаривается.
Скорость сушки зависит от ряда факторов. Чем больше скорость движения воздуха в сушилке, тем скорее он уносит испарившуюся влагу, препятствуя повышению парциального давления водяного пара над продуктом. Скорость испарения тем больше, чем выше температура воздуха в сушилке. Интенсивность испарения влаги зависит также от физико-химических свойств продукта, от размеров кусочков, их пористости и формы (чем больше поверхность кусочков, тем быстрее идет процесс сушки), от интенсивности перемешивания, способа укладки и высоты слоя продукта на лентах сушилки [116, 145, 160].
Применение очень высокой температуры воздуха при сушке недопустимо, так как это может ухудшить вкус, запах, цвет и химический состав продукта. Поэтому для каждого вида сырья разрабатывают оптимальный режим сушки, обеспечивающий наибольшую производительность установки при соответствующем качестве сушеного продукта.
Оптимальный режим сушки - это такой режим, при котором обеспечиваются: получение высушенного продукта, наиболее полно сохраняющего свои питательные и другие свойства, химический состав сырья; достижение наилучшей сохранности готового продукта; удаление влаги из сырья при наименьших затратах топлива, электроэнергии и труда; полное использование сушильной поверхности, обеспечивающее максимальную производительность сушильной установки.
Расчет температуры поверхности под воздействием воздуха
Разработка и внедрение в производство инноваций требуют детального анализа и сравнения по основным технико-экономическим показателям, таким как производительность, удельная мощность на 1 кг продукции, текущим издержкам, экономии энергоресурсов, затратам труда, экономическому эффекту, сроку окупаемости дополнительных капитальных вложений и т.д [53,96,111,158].
Поскольку в нашем случае речь идет лишь о замене серийной сушильной установки в технологической линии на проектируемую машину, то нет необходимости рассчитывать затраты на функционирование всей линии (рисунок 5.1) [158], поскольку она остается неизменной, достаточно сравнить эти две машины.
За базовый вариант принята сушильная установка «Ураган - 100», предлагаемая фирмой ООО «Биллон».
Инфракрасная конвейерная сушилка непрерывного действия «Ураган-100» включает в себя три ленты из нержавеющих сеток, автономно регулируемые по скоростям, в процессе работы сушильной установки толщина слоя продукта на которых регулируется автоматически. Кроме того, в установке используется U-образную продувка с регулируемой рециркуляцией воздуха и системой теплосбережения.
Во время работы установка производит автономный ввод воздуха, а также выход водяных паров за пределы помещения, благодаря чему не меняются условия внутри помещения. Сушилка производит автоматическую загрузку продукта из бункера и распределение его на сетку. Из таблицы видно, что проектируемая машина не уступает перспективному аналогу по производительности, затраты по энергопотреблению на 1 кг испаренной влаги снижаются на 9%. В табл. 5.2 приведены данные о капитальных вложениях для базового и проектируемого вариантов. Себестоимость проектируемой сушильной установки рассчитана, исходя из сметной стоимости материалов и затрат на изготовление по данным завода «Амурский металлист», стоимость сушилки «Ураган - 100» взята из официально опубликованных данных (см. приложение 1). Далее были определены эксплуатационные затраты при использовании сравниваемых сушильных установок. Сушильная установка предназначена для сушки гранулированных кормов, после чего гранулы отправляются на длительное хранение. Время работы сушильной установки - 7 часов в сутки. Эффективный годовой фонд рабочего времени проектируемой и базовой установки составит 2555 часов.
Методика определения крошимости гранул
Сушильный барабан предназначен для высушивания поступающей массы путем ее перемешивания и перемещения в потоке теплоносителя. Барабаны имеют цилиндрическую форму. На торцах их крепят бандажи, которыми они опираются на катки опорной и приводной станций. Ведущие — только передние катки, приводимые в движение цепной передачей.
Барабаны агрегатов АВМ-0,65 и АВМ-0,65Р содержат три коаксиальных цилиндра — наружный, промежуточный и внутренний. Они соединены между собой так, что масса последовательно переходит к каждому цилиндру от центрального к периферийному. Внутренние поверхности имеют лопасти, а наружные поверхности внутреннего и промежуточного цилиндров — отражатели для перемещения и ворошения массы.
Технологический процесс приготовления травяной муки агрегата АВМ-0.65Р (рисунок 1.2). Процесс сушки в пневмо-барабанных агрегатах осуществляется при высокой температуре сушильного агента, который является те только теплоносителем и поглотителем влаги, но и перемещает высушиваемый материал в сушильном барабане и далее до циклонной системы отвода сухой массы. — барабан; /4 — транспортер; 15— шнек; 16, 17, 21 — битеры; 18 — конвейер; 19 — лоток; 20 — гидроцнлиндр; 22 — топка; 23 — камера газификации; 25 — отборщик; 28 —заборник зерна; 30 — дробилка; 31, 32 — мате-риалопроводы.
При приготовлении травяной муки, идущей на гранулирование, а также сушке маловлажного сырья технологическую схему для повышения пропускной способности агрегата перестраивают: оба циклона 2 и 4 включают на параллельную работу (пунктирное обозначение на рисунок 1.2).
Растительную массу зернофуражных культур после сушки разделяют на зерновую и растительно-стебельную части и брикетируют смесь. Для этого системой заслонок 26, 27 к 29 с использованием заборника 28 зерно направляют для измельчения в дробилку 30, а растительно-стебельную часть, минуя ее, — непосредственно в оборудование для прессования.
Система отвода сухой массы предназначена для отделения высушенного материала от потока сушильного агента. Она состоит из циклона с вентилятором, дозатором и трубопроводами. Циклон представляет собой цилиндр, переходящий в нижней части в конус. В верхней части циклона агрегатов АВМ-0,65 и АВМ-0,65Р установлен вентилятор (в остальных агрегатах дымосос расположен на нулевой отметке). Вентиляторы создают воздушный поток, необходимый для транспортирования массы через сушильный барабан в циклон, а также удаления отработанного сушильного агента. В нижней части циклона установлен дозатор, подающий сухую массу в дробилку. Охладительно-сортировальные колонки
Для охлаждения гранул и отделения от них крошки все прессы-грануляторы оснащены охладительно-ортировальными колонками [36, 55, 61, 102, 124].
Для охлаждения гранул в оборудовании ОГМ-0,8 имеется двухколон-ковый жалюзийный охладитель. Совместно с охладителем работает сортировальное решето (рисунок 1.3).
В сварном корпусе охладителя с двух сторон установлены жалюзи. В центре расположен канал, сделанный из сетки. Этот канал делит охладитель на 2 колонки. С одной стороны канал заглушён, а с другой подсоединен к всасывающей трубе вентилятора охладителя. В верхней части охладителя расположена заслонка, связанная рычагом и тягами с дозирующими заслонками. В нижней части охладителя установлено качающееся дно, приводимое в движение эксцентриковым механизмом.
Готовые гранулы из пресса через выгрузную горловину кожуха попадают в нижнюю головку нории и подаются непрерывным потоком в камеру охлаждения. До тех пор пока камеры охлаждения не заполнены, дозирующие заслонки закрывают выход гранул. При работе вентилятора-охладителя поток воздуха просасывается через слой гранул, охлаждает и снижает их влажность. Одновременно отсасывается часть несгранулированной муки и часть мелкой крошки в циклон охладителя. При охлаждении гранулы становятся прочными и твердыми. слойку и поворачивают ее, преодолевая сопротивление груза. При повороте заслонки через систему рычагов приоткрываются дозирующие заслонки. Между дозирующими заслонками и качающимся дном образуется щель, через которую гранулы начинают поступать на сортировальное решето. Уровень гранул в приемной камере начинает снижаться, заслонка освобождается и под действием груза возвращается в исходное положение. Связанные с ней дозирующие заслонки возвращаются на свои места, и выход гранул на решето прекращается. Это устройство автоматически поддерживает постоянный уровень гранул в камерах охлаждения. Стабильность процесса охлаждения достигается регулировкой положения груза на рычаге.
При правильном положении груза на рычаге гранулы поступают из охладительной колонки на решето непрерывным, слегка пульсирующим потоком. Когда поток периодически прерывается, надо груз передвинуть ближе к оси верхней заслонки. Если же поток непрерывен и уровень гранул в колонке постепенно снижается, то груз следует передвинуть дальше от оси заслонки.
Для опорожнения охладительной колонки после остановки пресса к дозирующим заслонкам сделана специальная тяга, состоящая из троса с кольцом. Если потянуть за кольцо, то все оставшиеся в охладители гранулы высыплются на сортировальное решето.
Сортировальное решето получает возвратно - поступательное движение от эксцентрика приводного вала. Решето подвешено на пружинных подвесках. После охлаждения гранулы приобретают необходимую твердость и при их движении по решету не крошатся. Отделенная колеблющимся решетом крошка собирается в мешки через отборник. Мелкая крошка и пыль уносятся потоком воздуха, создаваемым вентилятором охладителя, и поступают через циклон и шлюзовой затвор в бункер. Кондиционные гранулы сходят с решета, собираются в отборщик гранул и затаривают в мешки или с помощью системы транспортеров направляют на хранение насыпью в склады или герметические емкости.
Оценка влияние параметров на процесс сушки
Характер протекания процесса во времени и изменение скорости сушки в зависимости от параметров сушильного агента (кинетика процесса) достаточно полно описываются кривыми, представленными на рисунке 1.7. Кривая сушки выражает зависимость между влагосодержанием материала и длительностью процесса сушки, кривая скорости сушки выражает зависимость между скоростью сушки (в данный момент) и влажностью материала, а температурная кривая — зависимость между температурой высушиваемого материала в процессе сушки и длительностью сушки.
Анализ кривых показывает, что процесс сушки имеет 3 фазы или стадии. В начале процесса — кратковременная стадия прогрева материала, в ходе которой температура материала быстро растет (ON), влагосодержание его убывает, а скорость сушки (OL) быстро возрастает от нуля до максимального значения.
Вслед за прогревом наступает первый период сушки, называемый периодом постоянной скорости сушки (LM), при котором влагосодержание материала уменьшается по линейному закону. В этот период все подводимое тепло расходуется на испарение свободной влаги, в результате чего сам материал в это время не нагревается и температура его поверхности остается постоянной (NP).
Такое соотношение параметров сохраняется до тех пор, пока удаляется поверхностная влага, находящаяся между клетками и внутри макрокапилляров, то есть пока скорость притока влаги из внутренних слоев (диффузия) превышает скорость испарения ее частиц с поверхности. При этом опасность повреждения травы (распад каротина или протеина) вследствие перегрева очень мала.
Однако при некотором значении влагосодержания (точка С) характер протекания кривых резко меняется, что соответствует началу второго периода сушки (точки М, Си Р), который называется периодом падающей скорости сушки (кривая Mf(F). При этом скорость диффузии оказывается меньше скорости испарения влаги с поверхности и даже при малой скорости сушки температура травы будет быстро повышаться (кривая PQ). При равномерном подводе тепла уменьшение интенсивности испарения вызывает дальнейший нагрев материала, поэтому основной особенностью этого периода сушки является повышение температуры материала. Кривая сушки в этот период (KF) приближается к равновесному влагосодер-жанию и, когда высушиваемый материал достигнет равновесной влажности, соответствующей условиям в конце сушильного тракта, сушка прекращается, так как влагопоглотительная способность агента сушки оказывается исчерпанной. При этом температура материала должна быть ниже температуры отработавших газов, ибо в ином случае относительно быстрое охлаждение газов и понижение их влагоемкости могут привести к адсорбции паров воды материалом и обратному повышению его влажности. Следует отметить, что при увеличении температуры нагрева продукта удельный расход энергии увеличивается, а качество получаемого продукта значительно падает. Учитывая зависимость качества готового продукта от температуры нагрева поверхности высушиваемого материала, можно предположить, что дальнейшие исследования следует вести в направлении сокращения длительности процесса сушки. 1.7 Основные выводы из анализа состояние вопроса сушки гранулированных кормов На основании анализа состояния вопроса сушки гранулированных кормов можно сделать следующие выводы: 1. В настоящее время наибольшее распространение получили следую щие виды сушильных установок: 1) охладительно - сортировальные колонны (циклоны); 2) барабанные и пневмо-барабанные сушильные установки; 3) инфракрасные сушильные установки. 2. Относительная влажность гранул при охлаждении в охладительных колоннах быстро снижается в течение первых минут, а потом темп снижения влажности замедляется. Однако влажность уменьшается не по всему сечению гранул, а только на небольшой глубине от поверхности. Ввиду относительно короткого промежутка времени и малой влагопроводности материала влажность в центре гранулы почти не изменяется, что значительно снижает длительность хранения гранулированного корма. 3. Технология инфракрасной сушки влажных продуктов позволяет практически на 100% использовать подведенную энергию. Молекулы воды, находящиеся в продукте, поглощают инфракрасные лучи и, возбуждаясь, нагреваются. То есть, в отличие от всех других видов сушки, энергия подводится непосредственно к воде продукта, чем достигается высокое КПД. При таком подводе тепла нет необходимости значительно повышать температуру сушимого продукта, и можно интенсивно вести процесс испарения при температуре 40-60 градусов. Это дает два преимущества: 1) при таких температурах максимально сохраняются ценные вещества продукта: витамины, кислоты, сахара, ферменты, также сохраняется клеточное строение из-за малых напряжений в материале при сушке; 2) низкие температуры не греют конструкции, то есть нет потери тепла через стенки и вентиляцию. При других способах необходимо греть продукт до 100-105 градусов, иначе процесс сушки будет длиться 20-30 часов. Инфракрасное излучение при температуре 40-60 градусов позволяет уничтожить всю микрофлору на поверхности продукта, делая его практически стерильным.
