Сушилка распылительная
Реферат.
За период 1990-2006 г.г. в Украине проведено резкое сокращение поголовья крупного рогатого скота, что привело уменьшению заготовок молока.
В свою очередь это отразилось на экономических показателях работы подавляющего большинства предприятий, сокративших объёмы переработки молока, что привело к снижению рентабельности производства.
Наряду с этим значительно повышены тарифы на энергоносители, что еще более повысило себестоимость выпускаемой продукции.
Особенно актуально стоит вопрос о сушке молока, которое летом не находит сбыта, а зимой его недостаточно. При сложившейся экономической ситуации на Украине происходит разукрупнение предприятий на сравнительно мелкие фермерские хозяйства. Таким образом сушильные установки должны быть рассчитаны на производительность по влаге 10 - 100 кг/ч.
Линия по производству сухого молока должна состоять из следующих основных компонентов:
- сепаратор - для разделения цельного молока на сливки и обезжиренное молоко;
- сушильная камера с распылительной форсункой;
- вентилятор - для нагнетания воздуха в аппарат;
- калорифер - подогревающий воздух до температуры, необходимой для сушки;
- фильтр очистки отработанного воздуха - для предотвращения попадания в атмосферу готового продукта (сухого молока)
- транспортирующие устройства.
Для уменьшения энергопотребления в состав линии может быть включен воздушный рекуператор, в котором происходит теплообмен между отработанным горячим воздухом и холодным приточным воздухом.
В качестве теплоносителей для подогревания воздуха может использоваться жидкое, твердое или газообразное органическое топливо, пар или электроэнергия.
В зависимости от типа используемой распылительной форсунки для обеспечения ее работоспособности могут понадобиться воздушный компрессор (пневматическая форсунка), высокооборотный привод (дисковый распылитель) или насос высокого давления (механическая форсунка).
Для очистки отработанного воздуха могут применяться тканевые фильтры, фильтры мокрой очистки или воздушные циклоны.
Введение.
В пищеперерабатывающей промышленности распылительные сушилки используются главным образом в тех случаях, когда желателен кратковременный контакт продукта с теплоносителем-воздухом. Например, распылительные сушилки применяют для сушки жидких продуктов (молоко, кровь, бульоны, меланж и т.п.) с превращением жидкого продукта в сухой растворимый продукт.
При использовании этого метода, подаваемый на сушку специальными риспособлениями (форсунками и центробежными дисками) жидкий продукт распыляется в сушильной камере, через которую проходит нагретый газ-теплоноситель (воздух).
Под распылением подразумевают диспергированние струи жидкости, сопровождающееся образованием большого количества полидисперсных капель. Благодаря развитой поверхности диспергированных частиц проходит интенсивный тепло- и массообмен с агентом сушки, при этом распыленные частицы быстро отдают влагу. Весь процесс сушки занимает всего несколько секунд, причем максимальная температура частиц в процессе испарения влаги в зоне повышенных температур не превышает температуры, при которой продукт сохраняет основные физико-химические свойства, что особенно ценно при сушке материалов, чувствительных к действию высоких температур.
При сушке распылением можно изменять в определенных пределах некоторые показатели получаемых порошков: величину частиц, влажность, насыпную массу. При использовании сушки методом распыления получается готовый продукт, не требующий дальнейшего измельчения. Может быть сокращен и полностью механизирован технологический цикл получения сухого продукта.
Хорошая растворимость, образующегося при сушке мелкодисперсного порошка в ряде случаев имеет большое значение (например, при разведении водой сухого молока).
К недостаткам распылительных сушилок можно отнести: большие размеры сушильной камеры вследствие малой скорости сушильного агента и, соответственно, низкого напряжения камеры по влаге; значительный расход энергии и тепла; сложное оборудование сушильной установки (распылительные и пылеулавливающие устройства).
Целью данного проекта является разработка распылительной сушильной установки непрерывного действия для получения сухого обезжиренного молока
1. Технология процесса и описание машинно-аппаратурной схемы производства.
Машинно-аппаратурная схема линии производства сухого молока приведена в графической части проекта (ОПП 02.06.01).
Цельное молоко по трубопроводу 1 подается в сепаратор 4 через фильтр для очистки молока 2. В сепараторе молоко разделяется на сливки и обрат (обезжиренное молоко). Сливки являются готовым продуктом и сливаются через патрубок 3.
Обрат по патрубку 6 через фильтр очистки 7 сливается в емкость для сбора обрата 8. из этой емкости обрат поступает во всасывающий трубопровод 9 плунжерного насоса 10. Плунжерный насос обеспечивает давление в нагнетательном трубопроводе 11 до 160 атм., что необходимо для нормальной работы распылительной форсунки. Для сглаживания пульсаций давления, обусловленных характером работы плунжерного насоса, обрат, находящийся под высоким давлением, поступает в ресивер 13. Пульсации давления демпфируются воздушной подушкой ресивера, манометр 12 служит для контроля давления в ресивере, а также может служить прибором автоматики управления плунжерным насосом.
Из ресивера обрат под высоким давлением поступает на распылительную форсунку 14, при помощи которой распыляется на дисперсные капли и выбрасывается в корпус сушильной камеры 15.
Горячий воздух (с температурой 150 оС) тангенциально подается в сушильную камеру из калорифера. Внутри камеры горячий воздух движется по нисходящей спирали и омывает капли распыленной жидкости. Благодаря большой поверхности контакта капель с горячим воздухом, влага практически мгновенно испаряется, а воздух охлаждается до температуры 80 оС.
Сухая частичка под действием силы тяжести опускается на дно камеры где скребками 20 и винтовым конвейером 23 транспортируется к разгрузочному бункеру 24.
Отработанный воздух вместе с захваченными им частичками сухого молока поступает в матерчатый фильтр 16, где из воздуха выделяются эти частички и поступают в разгрузочный бункер. Очищенный отработанный воздух подается на пластинчатый рекуператор 17 где отдает большую часть тепла холодному внешнему воздуху, нагнетаемому вентилятором 25, внешний воздух, соответственно, за счет этого подогревается.
Из рекуператора очищенный и охлажденный отработанный воздух через патрубок 26 выходит в атмосферу.
Внешний воздух, прошедший подогрев в рекуператоре, окончательно нагревается до необходимой температуры (150 оС) в калорифере 18, откуда поступает в сушильную камеру.
2. Современное
состояние и перспективы развит
2.1. Энергопотребление.
В настоящее время значительно повышены тарифы на энергоносители, что привело к повышению себестоимости выпускаемой продукции. Особенно остро это отразилось на предприятиях молочно-консервной промышленности, эксплуатирующих выпарное и сушильное оборудование - одно из самых энергоемких в отрасли.
Наиболее энергозатратны сушильные установки, в которых удельный расход энергии в 8-10 раз превышает ее потребление при выпаривании.
Самым эффективным способом сокращения энергопотребления на процесс сушки является замена парового или электрического калорифера на огневой теплогенератор, например, косвенного нагрева, работающий как на газообразном, так и на жидком топливе, которое обеспечивает сокращение расхода топлива (газ, мазут) до 30%.
Однако по простоте конструкции, возможностям автоматизации, простоте обслуживания и безопасной эксплуатации предпочтительными остаются электрические калориферы.
Значительным недостатком сушильных установок является выброс отработанного воздуха в атмосферу, имеющего теплосодержание всего лишь на 10-15% меньше, чем горячий воздух, подаваемый в сушильную камеру.
Снизить энергопотребление сушилки возможно за счет повышения начальной температуры воздуха перед калорифером, например, при его нагревании за счет теплоты отработанного в сушилке теплоносителя (смесь воздуха и водяного пара, образовавшегося в процессе испарения воды из молока при его сушке).
В настоящее время в сушильных установках применяются различные типы рекуператоров:
Пластинчатые рекуператоры
Удаляемый и приточный воздух проходят с обеих сторон целого ряда платин. Удаляемый и приточный воздух обычно не контактируют друг с другом, но практика показала, что некоторая утечка все-таки может происходить. В пластинчатых рекуператорах на пластинах может образовываться некоторое количество конденсата, а потому они должны быть оборудованы отводами для конденсата. Конденсатосборники должны иметь водяной затвор не позволяющий вентилятору захватывать и подавать воду в канал. В пластинчатом рекуператоре отсутствуют подвижные части. Он характеризуется высокой эффективностью (50 - 90%).
Рекуператоры с промежуточным теплоносителем
Вода или водно-гликолиевый раствор, циркулирует между двух теплообменников, один из которых расположен в вытяжном канале, а другой в приточном . Теплоноситель нагревается удаляемым воздухом, а затем передает тепло приточному воздуху. Теплоноситель циркулирует в замкнутой системе. Передача тепла может регулироваться изменением скорости циркуляции теплоносителя. Эти рекуператоры не имеют подвижных частей, но имеют низкую эффективность (45-60%).
Тепловые трубы
Данный рекуператор состоит из закрытой системы трубок, заполненных фреоном, который испаряется при нагревании удаляемым воздухом. Когда приточный воздух проходит вдоль трубок, пар конденсируется и вновь превращается в жидкость. Рекуператор не имеет подвижных частей, но имеет низкую эффективностью (50-70%).
Сравнительная оценка различных способов возврата (рекуперации) теплоты из отработанного теплоносителя в воздух перед его нагревом показала, что самым эффективным методом является применение термосифонов, способных передать теплоту с удельной мощностью 3-6 кВт/м2 теплопередающей поверхности.
Промышленный термосифон - это оребренная труба высотой 1,5-5 м с диаметром цилиндрической части 30-35 мм, заполненная легкокипящим теплоносителем. Нижняя часть термосифона помещается в воздуховод с отработанным теплоносителем, а верхняя - в воздуховод с приточным атмосферным воздухом.
2.2. Распылительные устройства.
В технике сушки применяется три способа распыления жидкости: механическими и пневматическими форсунками, центробежными дисками.
Механическое распыление производится при помощи форсунок различных конструкций к которым жидкость подается под давлением 30 - 200 атм. Размер капель составляет от 1 до 150 мкм и зависит от давления и свойств жидкости.
Преимущества механических форсунок состоят в их бесшумной работе, небольшом расходе электроэнергии и в большой производительности одиночных форсунок.
Недостатками являются: невозможность распыла грубых суспензий, содержащих твердые частицы или кристаллы, значительная чувствительность к загрязнению, невозможность регулирования производительности без изменения дисперсности капель жидкости.
Пневматическое распыливание производится под действием сжатого воздуха давлением 1.5 - 5 атм. специальными форсунками (рисунок 2.1).
Преимущества пневматических форсунок: возможность распыления большинства растворов и суспензий, возможность регулирования производительности.
Недостатками является: значительный расход энергии, по сравнении с другими способами распыла, необходимость применения нескольких форсунок для повышения производительности, необходимость наличия компрессорной установки.
Рис. 2.1. Пневматическая распылительная форсунка.
Распыление под действием центробежной силы достигается подачей жидкости на диск, вращающийся со скоростью 4000 - 20000 об/мин. Для получения высокой дисперсности применяется конструкция дисков изображенных на рисунке 2.2.
Рис. 2.2. Распылительные диски.
Вращение распыляющего диска осуществляется от электродвигателя или паровой турбины. Пример привода изображен на рисунке 2.3.
Рис. 2.3. Привод распылительных дисков.
Недостатками является: высокая стоимость распыливающего аппарата, его сложная эксплуатация, а также необходимость большого диаметра сушильной камеры.
2.3. Очистка отработанного воздуха.
Воздух, выходящий из сушильной камеры, содержит большое количество сухого продукта во взвешенном состоянии. Для его очистки применяются различные аспирационные устройства: тканевые фильтры, циклоны, системы мокрого пылеулавливания.
Тканевые фильтры способны задерживать частички диаметром от 1 мкм, однако ткань фильтра требует периодической очистки (встряхивание или продувка в обратном направлении).
Циклоны не требуют обслуживания, могут работать непрерывно, однако обеспечивают задержание частиц диаметром не менее 150 мкм, что неприемлемо для производства сухого молока.
Наиболее эффективны для очистки воздуха системы мокрого пылеулавливания (скрубберы), обеспечивающие очистку до остаточного содержания пылевых частиц в воздухе 5-15 мг/мЗ. Очистка отработанного воздуха в мокром пылеуловителе (скруббере) обеспечивает получение сухого молока в количестве 10-15 т/год и более. Дополнительная экономия достигается также за счет испарения из молока в процессе мокрого пылеулавливания воды до 200-400 кг/ч. Конструкция систем мокрого пылеулавливания разрабатывается с учетом специфики каждого типа сушилки и условий размещения оборудования в цехе.
3. Устройство и принцип действия разработанной конструкции.
Разрабатываемая распылительная сушилка содержит следующие элементы: сушильную камеру (корпус) с транспортирующими механизмами, распылительную форсунку, фильтр очистки воздуха, рекуператор и калорифер.
Сушильная камера имеет цилиндрическую форму с плоским дном. Со дна сушильной камеры готовый сухой продукт (сухое молоко) транспортными скребками перемещается к загрузочному отверстию винтового конвейера. Транспортные скребки расположены на горизонтальной вращающейся штанге и совершают вращательное движение относительно оси симметрии камеры. Углы крепления и радиальное расположение скребков подобраны таким образом, чтобы направлять готовый продукт к винтовому конвейеру, не оставляя «мертвых» зон на дне сушильной камеры. Винтовой конвейер перемещает сухое молоко к разгрузочному бункеру.
Приводом транспортных устройств (скребков и конвейера) является последовательно соединенные мотор-редуктор и открытый редуктор, состоящий из двух конических передач. Так как скорости вращения валов транспортного устройства и открытого редуктора незначительные, в качестве подшипников выбираю подшипники скольжения сухого трения, не требующие смазки.
Из соображений простоты конструкции и экономичности выбираю распылительную форсунку механического типа.
Так как частицы сухого молока имеют размер от 20 мкм. в качестве фильтра очистки воздуха принимаю тканевой рукавный фильтр. Для периодической очистки ткани фильтра принимаю встряхивающее устройство.
В качестве рекуператора принимаю пластинчатый рекуператор с перекрестным ходом потоков воздуха. Так как выброс отработанного воздуха производиться по патрубку, направленному горизонтально вниз, нет необходимости в применении конденсатоотводчика, однако его необходимо предусмотреть на трубопроводе выброса воздуха в атмосферу, если этот трубопровод будет иметь подъемные участки.
4. Расчет аппарата.
4.1. Определение габаритов камеры.
Объем камеры определяю по формуле:
м3, (4.1)
где: W - количество выпаренной влаги, кг/час;
А = 4 кг/(м3час) - напряжение объема сушильной камеры.
Количество выпаренной влаги определяю исходя из материального баланса сушки по формуле:
кг/час = 0.0246 кг/с (4.2)
Камера имеет форму цилиндра с коническим дном с соотношением высоты H к диаметру D равном 1.2. Исходя из этого диаметр определяю по формуле:
м. (4.3)
При этом высота будет равна 1.2×D = 1.2×2.865 = 3.438 м.
Размеры конического дна камеры принимаю конструктивно.
4.2. Тепловой расчет.
Для определения расхода воздуха и расхода теплоты на сушку строю теоретический и практический циклы сушки в I-d диаграмме для воздуха (приложение 1).
На пересечении изотермы t0 = 20 оС и линии влагосодержания d0 = 10 г/кг нахожу точку A, характеризующую состояние (параметры) наружного воздуха.
Нагрев воздуха в калорифере происходит при постоянном влагосодержании, поэтому на пересечении изотермы t1 = 150 оС и линии влагосодержания d0 = 10 г/кг нахожу точку B, характеризующую состояние воздуха после подогрева.
Теоретический процесс сушки происходит при постоянной энтальпии. Точку, соответствующую состоянию воздуха в конце теоретического цикла сушки (C), нахожу на пересечении изоэнтальпы IB = 180 кДж/кг и изотермы t2 = 80 оС.
По диаграмме определяю параметры воздуха в трех точках теоретического цикла сушки, данные заношу в таблицу 4.1.
Таблица 4.1
A |
B |
C | |
Температура, оС |
20 |
150 |
80 |
Относительная влажность, % |
70 |
- |
12 |
Влагосодержание, г/кг |
10 |
10 |
36.5 |
Энтальпия, кДж/кг |
45 |
180 |
180 |
В реальном процессе сушки линия BC будет начинаться в точке B, однако не будет совпадать с направлением изоэнтальпы IB. Направление этой линии зависит от величины D, определяемой по формуле [2: стр. 747]:
Дж/кг, (4.4)
где: qдоб = 0 Дж/кг - добавочное количество теплоты, подводимой непосредственно в сушильную камеру ;
qw - теплота, вносимая в сушку с влагой материала, Дж/кг;
qм - удельные потери на нагрев материала, Дж/кг;
qтр = 0 Дж/кг - удельные потери на нагрев транспортных устройств;
qпот - удельные потери в окружающую среду (принимаются на уровне 15% от теоретически затраченной теплоты).
Все величины обозначенные буквой q являются удельной теплотой, отнесенной к 1 кг выпаренной влаги.
Удельную теплоту, вносимую в сушку с влагой материала, определяю по формуле:
Дж/кг, (4.5)
где: св = 4190 Дж/(кг К) - удельная теплоемкость воды [2: стр.749];
Удельные потери теплоты на нагревание материала определяю по формуле:
Дж/кг. (4.6)
Удельные потери теплоты на окружающую среду определяю по формуле:
Дж/кг. (4.7)
где: qТ - теоретический расход теплоты на испарение 1 кг влаги, определяю по формуле:
=5192308 Дж/кг = 5192 кДж/кг, (4.8)
где: IB, IA, dC, dA - энтальпии и влагосодержания воздуха в соответствующих точках I-d диаграммы (таблица 4.1).
Подставляю полученные значения в формулу 4.4:
Уравнение лини BC1 реального процесса сушки (зависимость энтальпии от влагосодержания) выглядит следующим образом [3: стр 442]:
кДж/кг, (4.9)
Задаюсь произвольным влагосодержанием d = 26 г/кг и определяю для этого влагосодержания энтальпию точки D (принадлежит лини ВС1 реального цикла сушки) из уравнения 4.9:
На I-d диаграмме отмечаю точку D и провожу прямую через точки D и В, на пересечении этой прямой и изотермы t2 = 80 oC нахожу точку С1, характеризующую состояние воздуха в конце реального цикла сушки. При этом энтальпия в точке C1 - IC1 = 165 кДж/кг, а влагосодержание dC1 = 31.5 г/кг.
Реальный расход воздуха определяю по формуле:
кг/с (4.10)
Необходимое количество тепла для сушки определяю по формуле:
Вт (4.11)
4.3. Расчет рекуператора.
Рекуператор представляет собой набор гладких пластин из стандартных оцинкованных листов размерами b = 1 м и h = 1 м, толщиной dл = 0.7 мм.
Между пластинами проклеены резиновые прокладки (11 шт.) шириной bр = 2 мм, с шагом 0.1 м. Расположение прокладок указано на рисунке 4.1, они расположены таким образом, чтобы обеспечить перекрестное движение воздушных потоков отработанного и внешнего воздуха без смешивания между собой. Конструктивно пластины припаяны к несущей металлоконструкции (уголок).
Схема движения потоков воздуха через рекуператор показана на рисунке 4.2.
Рис. 4.1. Пластинчатого рекуператор.
Рис. 4.2. Схема движения воздушных потоков пластинчатого рекуператора.
Для расчета рекуператора задаюсь средним температурным напором Dt = 10 oC, и скоростью воздуха в рекуператоре nр = 5 м/с
Температуру сбрасываемого из рекуператора воздуха определяю по формуле:
оС (4.12)
Количество тепла, передаваемое в рекуператоре, определяю по формуле:
Вт, (4.13)
где: своз = 1005 Дж/(кг К) - теплоемкость воздуха [1: стр. 12].
При охлаждении исходящего воздуха в рекуператоре может образовываться конденсат, для определения объема этого конденсата на I-d диаграмме (приложение 1) строю линию процесса охлаждения воздуха.
Сначала охлаждение происходит при постоянном влагосодержании, пока относительная влажность воздуха не достигнет 100% (вертикальная пунктирная линия от точки С1 до пересечения с линией 100% влажности), затем процесс протекает с конденсацией влаги (по линии 100% влажности). Точка E, характеризующая параметры воздуха на выходе из рекуператора, находится на пересечении изотермы tух = 30 оС и линии 100% влажности.
Количество сконденсировавшейся влаги определяю по формуле:
кг/с, (4.14)
где: dЕ = 27.5 г/кг - влагосодержание воздуха в точке E I-d диаграммы.
Так количество выделяемого конденсата незначительно по сравнению с расходом воздуха (<1%), то в дальнейшем расчете пренебрегаю уменьшением эффективной площади теплообмена за счет образования конденсата.
Площадь поверхности теплообмена рекуператора определяю по формуле:
м2, (4.15)
где: k - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К).
Коэффициент теплоотдачи определяю по эмпирической формуле [1: стр. 12]:
Вт/(м2К). (4.16)
Эффективную площадь теплообмена одной пластины определяю по формуле:
м2 (4.17)
Необходимое количество пластин определяю по формуле:
(4.18)
Соответственно проходов для движения воздуха между пластинами - nпр =252, а для движения воздуха в каждом направлении n2 = 126.
Площадь сечения по воздуху определяю по формуле:
м2, (4.19)
где: rв = 1.093 кг/м3 - плотность воздуха при температуре 50 оС (средняя температура воздуха в рекуператоре) [1: таблица 8].
Расстояние между пластинами определяю по формуле:
м (4.20)
Таким образом общую толщину пакета пластин определяю по формуле:
м (4.21)
4.4. Расчет калорифера.
Калорифер представляет из себя набор из одинаковых оребренных ТЭН (РЭН) мощностью N’ = 2 кВт/п.м. и с площадью оребрения F’ = 0.75 м2. Для дальнейшего расчета принимаю температуру поверхности РЭН tк = 400 oC.
Конструктивно принимаю габариты проходного сечения калорифера из расчета размещения его на рекуператоре: ширина bк = 0.5 м, высота hк = 0.81 м.
Проверяю тепловую нагрузку на 1 погонный метр РЭН.
Количество теплоты, отдаваемое с 1 п.м. РЭН определяю по формуле [1: стр18]:
Вт, (4.22)
где: k - коэффициент теплопередачи от поверхности РЭН к воздуху, Вт/(м2К);
Dtср - средний температурный напор калорифера.
Коэффициент теплопередачи определяю по эмпирический формуле [1: стр18]:
. (4.23)
где: nкал - скорость воздуха в калорифере, м/с.
Скорость воздуха в калорифере определяю по формуле (с учетом того, что площадь прохода по воздуху в калорифере составляет 2/3 от общей площади сечения:
м/с, (4.24)
где: rк = 1.093 кг/м3 - плотность воздуха при температуре 50 оС (средняя температура воздуха в калорифере) [1: таблица 8].
Тогда:
Разница температуры воздуха и поверхности РЭН на входе в калорифер:
Разница температуры воздуха и поверхности РЭН на выходе из калорифера:
Так как отношение Dt1/Dt2<2, то Dtср определяется как среднеарифметическое этих двух значений:
Подставляю полученные значения в формулу 4.22:
Так как количество теплоты, отдаваемое с 1 п.м. РЭН больше удельной мощности РЭН, то общую длину оребренной поверхности РЭН можно определить по формуле:
м, (4.25)
где: Qc и Qp - количество теплоты, необходимой для процесса сушки и количество теплоты переданное в рекуператоре соответственно, Вт.
Конструктивно принимаю длину оребренной поверхности одного РЭН - l1 = 0.81 м,
тогда общее количество РЭН определяю по формуле:
(4.26)
Так как по ширине калорифера укладываются 15 РЭН (наружный диаметр оребрения - 40 мм), то понадобится 4 ряда РЭН, а следовательно минимально возможная длинна калорифера будет 0.16 м. Реальную длину принимаю конструктивно.