Барабанная сушилка

Задание № 6

Барабанная  сушилка 

       Спроектировать барабанную сушилку непрерывного действия. Исходные данные выбрать по своему варианту из таблицы № 6.

     Таблица № 6 

 Введение 

      Сушка – тепломассообменный процесс удаления влаги из материала путём её испарения и отвода образующихся паров. Основу сушки составляет массообмен. Технологическое назначение сушки: обезвоживание продуктов с целью увеличения их сроков хранения, придания товарного вида и улучшения транспортабельности. При этом все первоначальные пищевые свойства продуктов должны быть сохранены, а в некоторых случаях улучшены. Сушке подвергают многие пищевые продукты и полуфабрикаты, как твёрдые и сыпучие, так и жидкие, и пастообразные.

      Различают конвективную и контактную сушку.

      Конвективная  сушка - сушка влажного материала в потоке газообразной среды (сушильного агента). Контактная сушка – сушка влажного материала находящегося непосредственно на нагретой металлической поверхности.

      Способ  сушки и интенсивность теплового  воздействия сушильного агента зависят от вида связи влаги с материалом и соответственно – от природы материала. Существуют три вида связи влаги с материалом: химическая, физико-химическая, механическая. Первая является наиболее прочным видом связи и удаляется только контактной сушкой.

      Сушка характеризуется двумя движущим силами: средней разностью концентраций (ΔС) вещества между фазами (С₁ и С₂ ) и средней разностью температур Δt температур  между сушильным агентом t₂ и материалом t₁.  

ΔС = С₁ - С₂                                        (4.1) 

Δt = t₂ - t₁                                              (4.2) 

      Наиболее  распространённым видом сушки является конвективная сушка. Данная сушка проходит в три стадии:

      1. Перемещение влаги от центральных  слоёв к поверхностным внутри  материала.

      2. Парообразование влаги.

      3. Перемещение пара от поверхности   в окружающий воздух.

      На  второй стадии процесса затрачивается  значительное количества тепла, пропорциональное массе испаряемой влаги и удельной теплоте парообразования.

      В итоге вся масса удалённой влаги (m) складывается из массы, удалённой за счёт влагопроводности (m_w), и массы, удалённой за счёт теплопереноса (m_t).

      m = m_w + m_t                                          (4.3) 

        Конвективная сушка проходит  в три периода:

- период  прогрева материала;

- период  постоянной скорости;

- период  падающей скорости.

      Основная  масса влаги W удаляется в периоде постоянной скорости:

      W = β_p · F · (p₁ – p₂) · τ                              (4.4) 

      где β_p - коэффициент массоотдачи;

      p₁ - парциальное давление паров воды в пограничном водяном слое;

      p₂ - парциальное давление паров воды в окружающем воздухе.

      Конвективная  сушильная установка включает в  себя: вентилятор, калорифер, сушильную  камеру, транспортирующие механизмы и другое вспомогательное оборудование.

      Уравнение материального баланса сушильной  установки непрерывного действия имеет  вид: 

L + L· x₀ + m₁ = L + L· x₂ + m₂                              (4.5) 

      где L - массовый расход подаваемого вентилятором воздуха в сушильной установке, кг/с;

        m₁; m₂ – массовые расходы влажного и сухого материала, кг/с;

      x₀ ; x₂ - начальное и конечное влагосодержания в воздухе, кг/кг.

      Из  уравнения (5) находят расход воздуха  L, необходимый для подбора вентилятора и теплового расчёта сушилки. 

L = (m₁ -  m₂ ) / (x₂  - x₀ )                                (4.6) 

      Откуда  удельный расход воздуха, характеризующий  технико-экономическую эффективность  работы сушильной установки, определится:

                                   l = 1 / (x₂  - x₀ )                                              (4.7) 

      Составляем  уравнение теплового баланса  сушилки: 

Q₁ + Q₂ + Q₃ = Q₄ + Q₅ + Q₆ + Q₇                       (4.8) 

      где Q₁ , Q₂ ,…, Q₇ - тепловые потоки в Вт, входящие и выходящие из сушильной камеры:

      Q₁ – с нагретым после калорифера воздухом;

      Q₂ - с влажным материалом;

      Q₃ - с транспортными механизмами;

      Q₄ - с отработанным воздухом на выходе из сушилки;

      Q₅ - с высушенным материалом;

      Q₆ - с транспортными механизмами;

      Q₇ - с тепловыми потерями. 

      Из  уравнения теплового баланса  определяют затраты тепла на сушку, тепловую поправку на действительный сушильный процесс Δ в кДж/ кг и далее – реальный расход воздуха L, а также тепловую нагрузку калорифера Q_к в кВт. 

                                   Q_к = L · (I₁ – I₀)                                         (4.9) 

      где I₁, I₀ - энтальпии воздуха соответственно после и до калорифера, кДж / кг. 

   Процесс сушки строят  в I- х (I- d) диаграмме Рамзина для влажного воздуха (рисунок 14). 
 

Рисунок 14. Построение процесса сушки в I – d  диаграмме 

   1. На пересечении линии t_Со = const и t_Мо = const находится точка А, характеризующая состояние свежего воздуха. Для этого воздуха определяется удельное влагосодержание х₀, удельная энтальпия I₀, относительная влажность j₀.

   2. Так как в процессе нагревания  воздуха его удельное влагосодержание не изменяется, х₁ = х₀, то положение точки В, характеризующей состояние воздуха после калорифера, определится пересечением линии d₀ = const  и линии t_С1 = const.

   Для этой точки определяются удельная энтальпия  I₁ и относительная влажность j₁.

   3. На пересечении линии t_С2, =const и линии t_М2 = const находится точка С, характеризующая состояние отработавшего воздуха.

   Для этой точки определяются удельное влагосодержание  х₂, удельная энтальпия I₂ и относительная влажность j₂. Таким образом, на I – х диаграмме получены три точки:

   точка А, характеризующая состояние (параметры) воздуха перед калорифером;

   точка В, характеризующая состояние воздуха  после калорифера;

   точка С, характеризующая состояние отработавшего  воздуха после сушилки.

   Линия АВ изображает изменение параметров воздуха в процессе подогрева в калорифере.

   Линия ВС изображает изменение параметров воздуха в процессе сушки.

   Весь  процесс изображается ломаной линией АВС.

      Для сушки пищевых и других продуктов  применяют сушилки различных конструкций. На распылительных сушилках высушивают жидкие продукты: молоко, сливки, соки и многие другие. Овощи, фрукты, мясо и другие продукты высушиваются в сублимационных сушилках. На ленточных сушилках высушиваются сыпучие и мелкоштучные продукты.

      При первичной переработке продуктов  сельскохозяйственного производства часто применяются вращающиеся барабанные агрегаты, в которых обрабатываются как сыпучие, так и пастообразные материалы. Барабан вращается вокруг продольной оси и наклонен к горизонту. Введенный материал медленно продвигается к выходному отверстию. Теплота принимается материалом от омывающего теплоносителя, которому он отдает влагу, при этом температура теплоносителя понижается. Кроме вращающихся барабанных агрегатов с непрерывным потоком материала имеются сушилки с периодическим режимом работы.  

      Сушилки конструктивно просты, не требуют больших затрат на обслуживание.В сушилках непрерывного действия теплоноситель и материал вводятся в агрегат в зависимости от потребности прямотоком или противотоком. Известны барабанные агрегаты, работающие в прямотоке (рисунок 15) и в противотоке (рисунок 16).

      Для получения теплоносителя могут  использоваться топка, паровой калорифер  или другой преобразователь энергии.

      Дозатор, смонтированный с наклонным самотечным лотком, питает сушилку влажным материалом. В конце барабана материал падает в неподвижную осадительную камеру, откуда затем удаляется. Дли того чтобы улучшить теплоотдачу от теплоносителя к материалу, сушилку оборудуют насадками, которые измельчают материал, распределяют его равномерно по сечению трубы, пересыпают поперек потока теплоносителя. Барабанные сушилки имеют диаметр 0,3¸5,5 м и длину 2¸35 м. Время пребывания материала в сушилке колеблется от 10 до 150 мин. По окружности вращающегося барабана имеется два-три вращающихся в подшипниках кольца, сама труба лежит на поддерживающем (опорном) ролике. Так называемые направляющие, или прижимные, ролики, а также поддерживающие ролики, если они установлены несколько наклонно, предупреждают продольное скольжение трубы

      Частота вращения агрегата 1¸15 об/мин. Как правило, вентилятор транспортирует теплоноситель через вращающийся барабан в таком режиме, что в нем поддерживается незначительный вакуум. В местах, где камеры примыкают к вращающемуся барабану (перед барабаном и за ним), система уплотнителей препятствует проникновению холодного воздуха и утечке материала.

      Для того чтобы потерь энергии было меньше, вращающийся барабан и находящиеся перед ним патрубки покрывают теплоизоляцией. Если материал склонен к налипанию к горячим стенкам, входной желоб следует охладить водой или воздухом. В самой барабанной сушилке может быть приспособление для очистки стен от налипания.

      Загрязненный  отходящий теплоноситель очищается  в циклоне, а в некоторых случаях - в мокром скруббере или тканевом фильтре.

      Насадки для барабанной сушилки и необходимую  футеровку можно изготовить из различных  материалов. Венцы рабочих лопаток и поддерживающие ролики для небольших барабанов или в условиях ненапряженного производства могут быть изготовлены из чугуна, а для больших вращающихся сушилок - из стального литья.

      Следует отметить, что барабанные сушилки  не применяются для мучнистых материалов, которые воздушный поток уносит с собой, а также для хрупких материалов, частицы которых должны сохранить свою величину и форму после термической обработки. В то же время в барабанных сушилках длина падения материала мала и для целого ряда продуктов доля нарушенных гранул невелика. Традиционно расход энергии на сушку в барабанных сушилках составляет от 3800 до 4200 кДж/кг испаренной влаги. Для материалов с высоким начальным влагосодержанием, переносящих высокую температуру теплоносителя на входе, требуются меньшие удельные расходы, для материалов, чувствительных к температуре с низким начальным влагосодержанием, как правило, - более высокие расходы.

      В медленно вращающемся гладком барабане материал лежит в виде вытянутого в длину массива, имеющего сравнительно небольшую поверхность, с которой соприкасается проходящий теплоноситель. Сила тяжести и центробежная сила прижимают материал к стенке барабанной сушилки, и определяют силу трения материала о ее поверхность, за счет чего материал переносится наверх. Если трение между материалом и стенкой сравнительно мало, то, достигнув определенной высоты, весь материал скатывается обратно, после чего снова поднимается вверх. При малой частоте вращения и скорость подъема невелика.

      Сползая вниз, он мало перемешивается. Но если сила трения будет удерживать материал на стене, частицы продукта в слое начнут скатываться и скользить по поверхности завала вниз (при этом их скорость увеличивается до момента окончания движения), а затем благодаря силе трения вновь будут подниматься наверх. В ходе этого процесса частицы перемещаются из центра завала к откосу. Но интенсивность перемешивания материала мала, а поэтому и тепло - и влагообмен в завале проходит медленно.

      В настоящее время вращающиеся  барабанные сушилки без насадок применяются лишь для материалов, которые обрабатываются при очень высоких температурах, например в случае удаления кристаллизационной воды. Большинство же вращающихся барабанных сушилок оборудовано насадками (рисунок 14), которые помогают значительно усилить тепло – и массоперенос на поверхности материала, соприкасающейся с теплоносителем, а также тепло – и влагоперенос внутри завала. Эти насадки, приподнимая завал материала, способствуют тому, чтобы частицы более активно ссыпались по откосам завала, а часть материала в виде завесы или единичных гранул свободно падала перпендикулярно потоку газа. Максимальный обмен обеспечивают насадки, которые наиболее эффективно разделяют ртериал, перемешивают и тем самым способствуют его контакту с потоком теплоносителя.

     При хорошей сыпучести материал легко  проходит по барабану с любыми насадками, а комкующиеся материалы могут продвигаться частично или вообще не двигаться. Так, материалы, состоящие из крупных кусков или имеющие пастообразную или липкую структуру, должны предварительно пройти через несколько звеньев простых шнековых устройств, прежде чем, став сыпучими, поступить в насадки более сложной конфигурации. В тех случаях, когда вращающаяся барабанная сушилка должна подвергаться частой чистке или ее внутренняя поверхность сильно изнашивается, целесообразны простые встроенные насадки. Часто в передней части барабана устанавливают звено спиральных лопаток, быстро убирающих материал от входного конца. Материалы, дающие большую усадку, обрабатывают в барабанах с комбинированными встроенными насадками. Для материалов, которые не должны задерживаться ни в углах, ни в каких-либо других местах, имеются встроенные насадки с закругленными бесшовными и шлифованными поверхностями.

      Для сушки жидких пищевых продуктов и других жидких систем применяют сушку распылением, которую осуществляют в специальных распылительных сушилках (сушильных башнях), одна из которых показана на рисунке 17.

      В промышленном масштабе сушке распылением  подвергают молочные, яичные продукты, продукты животного и растительного происхождения. В химической и других непищевых отраслях промышленности распылением сушат органические, неорганические химикалии, керамику и другие материалы.

      Сухие продукты, полученные на распылительных сушилках, обладают хорошей растворимостью, до 99%.

      В сушильную распылительную установку  входят сушильная башня с распылительным устройством, циклоны, калориферы, вентиляторы, вспомогательные устройства.

      Установки отличаются расположением распыливающего устройства (нижнее, верхнее), фильтровальной камерой (выносное и в корпусе камеры), вентиляторов (нижнее, верхнее).

     В сушильной башне происходит непосредственный контакт нагретого сушильного агента (воздуха) и распыляемой жидкой системы. Тепломассообменный процесс между фазами происходит практически мгновенно (доли секунды). При распылении жидкая фаза подвергается тонкому диспергированию до уровня мельчайших капель. Общее время пребывания материала в сушилке не превышает 50 с.

      Достоинством  распылительных сушилок является возможность использования сушильного агента (преимущественно, воздуха) с высокой температурой даже для сушки термолабильных материалов.

      Однако  распылительные сушилки имеют сравнительно небольшой удельный съём влаги в пределах до 20 кг/м³, большой расход воздуха и, как следствие, значительную материало – и энергоёмкость.  

     Рисунок 17.  Распылительная дисковая сушилка

1- корпус  сушильной  камеры; 2-переекрытие  камеры; 3,9- патрубки предохранительных клапанов; 4-электродвигатель; 5- масляный фильтр; 6- шатер; 7- электроталь; 8- подставка; 10- вибратор; 11- центробежный распыливающий механизм; 12- диск распылительный; 13- завихривающая головка; 14- трубопровод для сушильного агента; 15-окно; 16- опора сушильной камеры; 17,20- защитные козырьки; 18 – выгружатель к пневмотранспорту; 19- трубопровод отработанного сушильного агента; 21- дверь.

      При механическом методе распыления используются форсунки, в которые жидкость подаётся при давлениях 2,5 – 20 Мпа. Качество распыления зависит от степени турбулизации струи, выходящей из сопла форсунки. Для создания турбулентности в форсунке имеется насадок с тангенциальными канавками для закручивания потока.

      Механические  форсунки делятся на струйные и центробежные. Механические форсунки в основном применяют  для грубого и тонкого распыления раствора. Для этих форсунок характерны сложность регулирования производительности, но они просты по конструкции и имеют низкие энергозатраты при эксплуатации.

      В пневматических форсунках распыление происходит скоростной струёй газа или пара, который подаётся под давлением 0,4-0,6 Мпа.

      Наиболее  широкое распространение получило распыление при помощи центробежных дисков, имеющих частоту вращения до 40000 об/мин. Применяют 4-лопастные и 24-лопастные диски. Выброс жидкости происходит через каналы, образованные лопатками. С увеличением числа каналов возрастает производительность сушилки. Диски различаются диаметром и шириной канала. Используют также сопловые  диски. При неправильном расчёте радиуса факела распыла может происходить нарост влажного материала на стенках сушилки.

      Длина полета частицы зависит от диаметра капель, их скорости на выходе из диска, физических свойств и расхода  раствора и сушильного агента.

      Дисковые  распылительные сушилки в большинстве  случаев работают по прямоточной схеме. Процесс характеризуется интенсивными радиальными  потоками газа и материала от диска к стенкам камеры. Если диск расположен недалеко от потолка, то может иметь место отложение продукта на стенке потолка. Для предотвращения образования наростов в область между потолком и факелом подводится воздух.

      Наиболее  эффективно сушилка работает, когда  горячий воздух подводится к корню  факела распыла. При этом тепломассообмен  протекает на горизонтальном участке  от факела до стенки камеры. Для подвода  сушильного агента используют газовые диспергаторы.

      Теплообмен  при сушке распылением характеризуется  критерииальным уравнением Нуссельта следующего вида: 

Nu = 2 + 0,51·Re^0,52 ·Pr^0,33                         (4.10) 

      Эффективность работы распылительных сушилок при  прочих равных условиях зависит от равномерности распределения воздуха в башне. В башне имеются области застоя воздуха и области, разных его температур, расположение которых зависит от способа подачи воздуха. При подаче воздуха в осевом направлении через центральную трубу поток его расширяется к низу. Вверху у стенок сушильной башни образуются застойные области с завихрением.

      При центральной подаче воздуха снизу  он сравнительно равномерно распределяется по всей башне. При тангенциальном вводе воздуха наблюдается вращательное движение его по спирали. Воздух устремляется вниз башни. Осевая скорость его в 10-15 раз меньше окружной скорости. В середине башни интенсивность потока меньше, чем у периферии. При тангенциальной подаче воздуха равномерное распределение его достигается при высокой скорости его подачи. При подаче снизу через прорези наблюдается удовлетворительное распределение воздуха. Застойные области появляются внизу у стенок башни. Чтобы обеспечить большую равномерность распределения воздуха и достаточно качественную сушку при тангенциальной подаче, когда в центре поток воздуха мал, воздух дополнительно подводится сверху и снизу непосредственно к распылительному диску.

      Основная  масса высушенных частиц, например молока, осаждается на дно сушильной камеры. Скребковым, шнековым или пневматическим механизмом или устройством готовый продукт удаляется через отверстие для выгрузки. Часть мельчайших частиц сухого молока захватывается и уносится воздухом, который, пройдя через циклоны, выходит из башни  через воздуховод. 

      Частицы сухого продукта, падая вниз, попадают на распылительную головку, воздуховоды, стенки башни, поэтому по окончании работы сушильную башню чистят. Остатки сухого молока снимают со стен распылительной головки, воздуховодов и удаляют из башни. Если башня очищена недостаточно тщательно, то оставшееся в ней сухое молоко в момент очередного пуска при прогреве, под воздействием высоких температур побуреет. Побуревший порошок попадает в готовый продукт и резко снижает его качество. Неудалённый слой сухого молока на распылительной головке может не только побуреть, но и возгораться, что сопряжено с возможностью взрыва.