CC BY
32
УДК 664.8.047
Аппарат для сушки дисперсных материалов в закрученном потоке теплоносителя с ИК-энергоподводом
Apparatus for drying of dispersed materials in a swirling flow of the coolant with an IR energy supply
Профессор C.T. Антипов, доцент A.B. Журавлев, ассистент И.Н. Сухарев, аспирант А.С. Марухин, аспирант А.В. Кирносов
(Воронежский государственный университет инженерных технологий) кафедра машин и аппаратов пищевых производств, тел. 8(473) 255-38-96 E-mail: kintarO@yandex.ru
Professor S.T. Antipov, Associate Professor A.V. Zhuravlyov, Assistant I.N. Su-kharev, Post-graduate Student A.S. Marukhin, Post-graduate Student A.V. Kirnosov (Voronezh state University of engineering technologies) chair of machines and apparatuses of food productions, tel 8(473) 255-38-96 E-mail: kintarO@yandex.ru
Реферат. Разработан аппарат для сушки дисперсных материалов в закрученном потоке теплоносителя с ИК-энергоподводом. Описывается принцип работы аппарата для сушки дисперсного материала. Сушка дисперсного материала протекает в три этапа. Первый этап заключается в прогреве дисперсного материала и образовании газовзвеси исходного сырья с потоком теплоносителя. Второй этап заключается в образовании закрученного потока дисперсного материала с теплоносителем, при котором процесс сушки протекает на высоких скоростях. На третьем этапе происходит интенсификация тепломассообмена в процессе сушки за счет воздействия тепловой энергии ИК-излучателя на частицы дисперсного материала. Таким образом, можно сделать вывод, что данный сушильный аппарат позволяет: осуществить невысокий температурный режим теплового излучения 35...70 °С, значительно сэкономить потребление электрической энергии, интенсифицировать процесс сушки п получить продукт с максимально сохранившейся питательной ценностью, обеспечить закономерное закрученное движение частиц высушиваемого дисперсного материала за счет обеспечения стабильной гидродинамической обстановки в цилпндроконической сушильной камере, повысить качество конечного продукта за счет обеспечения «щадящего» режима трехстадийного процесса сушки дисперсного материала. Одновременно с процессом сушки произвести стерилизацию и уничтожить различные бактерии и микробов. Обеспечить прогрев дисперсного материала и организовать стабильный режим работы устройства за счет наличия питателя и разгонного участка, позволяющего получить газовзвесь непосредственно перед входом в цплиндроконическую сушильную камеру. Снизить себестоимость готового продукта. Использовать аппарат во всех отраслях промышленности, где необходима сушка дисперсных материалов, и для всех видов дисперсных материалов за счет его универсальности.
Summary. Apparatus for drying of dispersed materials in swirling flow of the coolant with an IR energy supply. Describes the operation of the apparatus for diying particulate material. Diying the dispersed material occurs in 3 stages. The first stage is the exposure of the particulate material and the formation of a gas suspension of the feedstock with heat carrier flow. The second stage is the formation of a swirling flow of particulate material with a coolant, in which the drying process occurs at high speeds. The third stage occurs intensifica-tion teplomassoobmen in the diying process due to exposure to thermal energy, the IR emitter on the particles of the dispersed material. Thus, we can conclude that this diyer allows: to carry out low temperature regime the thermal radiation 35. ..70 °C, greatly save the consumption of electric energy, to intensify the drying process to obtain a product with the maximum keeping-objective nutritional value, provide a natural swirling motion of the particles of the dried particulate material, by providing a stable hydrodynamic situation in cylindric drying chamber, to improve the quality of the final product by providing a "gentle" mode of the three-stage process of drying the dispersed material, simultaneously with the drying process sterilize and destroy different bacteria and microbes, to provide heating of the particulate material and to arrange the stable operation of the device due to the presence of the feeder and the upper area, allowing to obtain the gas suspension in a cylindrical-conical drying chamber, to reduce the cost of the finished product, use the product in all industries where necessary diying dispers-tion of materials, and for all kinds of disperse materials due to its versatility.
S Антипов C.T., Журавлев A.B., Сухарев И.Н., Марухин A.C., Кпрноеов A.B., 2017
промышленности
Ключевые слова: сушка дисперсных материалов, закрученный поток теплоносителя, ИК-энергоподвод.
Keywords: drying of dispersed materials, the swirling flow of the coolant, IR energy supply.
В настоящее время в промышленности при сушке дисперсных материалов с незначительным диффузионным сопротивлением движению влаги в качестве одного из наиболее эффективных средств интенсификации процесса широко применяются высокоинтенсивные аппараты с активными гидродинамическими режимами, в частности, аппараты с закрученными потоками теплоносителя, развитая турбулентная структура потока в рабочем объеме которых позволяет избежать образования инертных зон вокруг частиц материала. Технологический процесс в данных аппаратах происходит с одновременной сепарацией твердых частиц на стенку сушильной камеры в результате воздействия центробежных сил, что позволяет одновременно снизить унос дисперсного материала и повысить скорости обтекания частицами, что приводит к увеличению скорости ведения технологического процесса по сравнению с другими устройствами [1, 2, 3].
Для интенсификации сушильных аппаратов нужно стремиться к увеличению поверхности фазового контакта. Кроме того, необходимо увеличивать относительную скорость дисперсной и газовой фаз, движущую силу процесса сушки и уменьшать расход теплоносителя на сушку [4, 5].
Наиболее эффективным способом увеличения относительной скорости движения фаз и, следовательно, интенсификации процесса является закручивание потоков газовзвеси материала [6, 7].
Основным направлением интенсификации и эффективности процессов тепломассообмена является совершенствование гидродинамической обстановки в сушильных аппаратах взвешенного слоя, а также применение комбинированного энергоподвода как одного из прогрессивных методов интенсификации процесса сушки. В настоящее время все больше применение в промышленности получают способы сушки, основанные на применении ИК-энергоподвода. Глубина проникновения инфракрасных лучей для пищевых продуктов составляет 6-12 мм. На данную глубину проникает незначительная часть энергии излучения, однако температура слоя, лежащего на расстоянии 6-7 мм от поверхности материала, растет значительно интенсивней, чем при нагреве конвективным способом.
Инфракрасная сушка продуктов питания основана на том, что вода, содержащаяся в продукте, активно поглощает инфракрасное излучение, поэтому удаление влаги возможно при невысокой температуре (40-60 °С). Это позволяет сохранить витамины, биологически активные вещества, естественный цвет, вкус и аромат подвергающихся сушке продуктов. Термообработка продуктов инфракрасным излучением сокращает время обработки различных материалов в несколько раз, расход энергии - до 15 раз. При этом продукт стерилизуется, что значительно повышает срок его хранения.
На рис. 1 изображен общий вид аппарата для сушки дисперсных материалов в закрученном потоке теплоносителя с ИК-энергоподводом.
А
Теплонасипвпь осевой
Вид А
4 3 9 12
Теплоноситель Iгвнгенциальньй
Оиесь сухого дисперсного материала и отработанного теплоносителя
Рис. 1. Аппарат для сушки дисперсных материалов в закрученном потоке теплоносителя с ИК-энергоподводом: 1 - камера цилиндроконическая сушильная; 2 - улитка; 3 -питатель; 4 - патрубок подачи тангенциального потока теплоносителя; 5 - участок разгонный; б - патрубок подвода осевого потока теплоносителя; 7 - завихрителъ; 8 - решетка; 9 - часть цилиндрическая; 10 - окно; 11 - патрубок; 12 - ИК-излучателъ; 13 - траектории закрученных потоков теплоносителя
Сушка влажного дисперсного материала осуществляется в три этапа. Аппарат для сушки дисперсных материалов в закрученном потоке теплоносителя с ИК -энергоподводом работает следующим образом. Влажный дисперсный материал питателем 3 (рис. 1) подается в разгонный участок 5. Одновременно через патрубок 4 подачи тангенциального потока теплоносителя в него подается горячий теплоноситель. В результате этого происходит образование газовзвеси, при этом происходит прогрев влажного дисперсного материала и таким образом происходит I этап сушки.
Затем газовзвесь поступает в улитку 2, куда также через патрубок 6 подвода осевого потока теплоносителя поступает горячий теплоноситель. Помимо этого улитка 2 снабжена завихрителем 7, который докручивает основной поток теплоносителя до нужной интенсивности закрутки. Теплоноситель вместе с частицами дисперсного материала начинает совершать сложное циркуляционное движение вдоль окружности аппарата, увеличивая при этом свою скорость. Тангенциальная скорость частиц дисперсного материала обусловливает возникновение центробежной силы, которая отбрасывает частицы дисперсного материала от центра сушильной камеры к ее стенкам, образуя закрученный слой, представляющий собой вращающееся кольцо. При этом процесс сушки протекает при высоких относительных скоростях частиц дисперсного материала и теплоносителя, таким образом осуществляется II этап сушки.
Осевая составляющая скорости закрученного потока по высоте цилиндроко-нпческой сушильной камеры 1 падает, скорость витания дисперсного материала по мере его высыхания уменьшается. За счет этого дисперсный материал по мере его высыхания поднимается в цилиндрическую часть 9 цилиндроконической сушильной камеры 1, где происходит интенсификация тепломассообмена в процессе сушки за счет воздействия тепловой энергии ИК-излучателя на частицы дисперсного материала, что обеспечивает III этап процесса сушки.
Подвод тепловой энергии к частицам дисперсного материала обеспечивается ИК-излучателем 12, установленным таким образом, чтобы наибольшая плотность потока электромагнитной энергии была сосредоточена в зоне вращающегося кольцевого слоя высушиваемых частиц дисперсного материала.
В процессе сушки более влажные частицы дисперсного материала под воздействием тепловой энергии ИК-излучателя нагреваются более интенсивно, чем частицы, имеющие меньшую влажность, таким образом, происходит выравнивание влажности дисперсного материала. Поэтому температура теплоносителя может быть снижена на 35...45 °С, чем в случае только конвективного подвода тепловой энергии. Вследствие установки ИК-излучателя 12 обеспечивается равномерное распределение тепловой энергии в цилиндрической части 9 цилиндроконической сушильной камеры 1.
Суммарный расход теплоносителя подбирается таким образом, чтобы, достигнув необходимой влажности, смесь высушенного дисперсного материала и отработанного теплоносителя удалялась из цилиндроконической сушильной камеры 1 через окно 10 и патрубок 11 для вывода высушенного материала и отработанного теплоносителя. Конечная влажность высушенного дисперсного материала регулируется скоростью осевого и тангенциального потоков теплоносителя. За счет изменения тангенциальной составляющей потока теплоносителя можно добиться максимальной равномерности закручивания потока дисперсного материала и теплоносителя, а меняя осевую составляющую потока теплоносителя, можно регулировать время пребывания дисперсного материала в цилиндроконической сушильной камере 1, тем самым значительно интенсифицировать тепломассооб-менные процессы при прочих равных параметрах сушки. В случае экстренной остановки аппарата дисперсный материал задерживается на решетке 8.
Таким образом, предлагаемый аппарат для сушки дисперсных материалов в закрученном потоке теплоносителя с ИК-энергоподводом позволяет:
- осуществить невысокий температурный режим теплового излучения 35...70 °С, позволяет значительно сэкономить потребление электрической энергии, интенсифицировать процесс сушки и получить продукт с максимально сохранившейся питательной ценностью;
- обеспечить закономерное закрученное движение частиц высушиваемого дисперсного материала за счет обеспечения стабильной гидродинамической обстановки в цилиндроконической сушильной камере;
- повысить качество конечного продукта за счет обеспечения «щадящего» режима трехстадийного процесса сушки дисперсного материала;
- одновременно с процессом сушки произвести стерилизацию и уничтожить различные бактерии и микробы;
- обеспечить прогрев дисперсного материала и организовать стабильный режим работы устройства за счет наличия питателя и разгонного участка, позволяющего получить газовзвесь непосредственно перед входом в цилиндрокониче-скую сушильную камеру;
- снизить себестоимость готового продукта;
- использовать аппарат во всех отраслях промышленности, где необходима сушка дисперсных материалов, и для всех видов дисперсных материалов за счет его универсальности.
ЛИТЕРАТУРА
1.Антипов, С.Т. Устройство для сушки послеспиртовой зерновой барды [Текст] / С. Т. Антипов, С.В. Шахов, А.В. Прибытков, А. В. Журавлев // Производство спирта и ликероводочных изделий,- 2005,- № 3. - С. 19-20.
2. Антипов, С. Т. Влияние полидисперсности материала на гидродинамику сушильного аппарата с закрученным потоком теплоносителя [Текст] / С. Т. Антипов, А. В. Прибытков, А. В. Журавлев // Вестник ВГТУ,- 2005.- № 6. - С. 8-13.
3. Антипов, С. Т. Установки для сушки высоковлажных полидисперсных вторичных материальных ресурсов пищевой промышленности [Текст] / С. Т. Антипов, А. В. Прибытков, А. В. Журавлев // Инженер, технолог, рабочий,- 2005.-№ 12.- С. 7-11.
4. Пат. № 2263262 РФ, МПК7 F 26 В 17/10. Вихревая сушилка / Антипов С. Т., Прибытков А. В., Журавлев А. В.; заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. технол. акад. - № 2004112142; заявл. 20.04.2004; опубл. 27.10.2005, Бюл. № 30.
5. Пат. № 2425311 РФ, МПК7 F 26 В 17/10. Вихревая сушильная камера для сушки дисперсного материала в закрученном потоке теплоносителя с СВЧ-энергоподводом / Антипов С. Т., Журавлев А. В., Казарцев Д. А., Бунин Е. С., Баранов А. Ю., Юрова И. С.; заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. технол. акад. - № 2010115946/06; заявл. 21.04.2010; опубл. 27.07.2011 Бюл. № 21.
6. Журавлев, А. В. Комбинированные аппараты с закрученным потоком теплоносителя для сушки дисперсных материалов [Текст] / А. В. Журавлев, Д.А. Казарцев, А.В. Бородкина, Д.А. Нестеров // Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания,- 2014,- № 2. -С. 52-59.
7. Антипов, С.Т. Тепло- и массообмен при сушке послеспиртовой зерновой барды в аппарате с закрученным потоком теплоносителя [Текст] / С.Т. Антипов, А. В. Журавлев,- Воронеж: ВГТА, 2006. - 252 с.
REFERENCE
1. Antipov S.T., Shakhov S.V., Pribytkov A.V., Zhuravlev A.V. Ustroystvo dlya sushki poslespirtovoy zernovoy bardy [Device for drying grain distillery stillage ] Pro-izvodstvo spirta i likerovodochnykh izdeliy, 2005, No 3, pp. 19-20 (Russian).
2. Antipov S.T., Pribytkov A.V., Zhuravlev A.V. Vliyanie polidispersnosti materi-ala na gidrodinamiku sushil'nogo apparata s zakruchennym potokom teplonositelya [The influence of the polydispersity of the material on hydrodynamics dryer with twisted coolant flow] Vestnik VGTU, 2005, No 6, pp. 8-13 (Russian).
3. Antipov S.T., Pribytkov A.V., Zhuravlev A.V. Ustanovki dlya sushki vysokovla-zhnykh polidispersnykh vtorichnykh material'nykh resursov pishchevoy promyshlen-nosti [Installation for drying high moisture polydisperse WTO richnih material resources the food industry ] Inzhener, tekhnolog, rabochiy, 2005, No 12, pp. 7-11 (Russian).
4. Antipov S.T., Pribytkov A.V., Zhuravlev A.V. Vikhrevaya sushilka [Tumble dryer], Patent RF № 2263262, 2005 (Russian).
5. Antipov S.T., Zhuravlev A.V., Kazartsev D.A., Bunin E.S., Baranov A.Yu., Yurova I.S. Vikhrevaya sushil'naya kamera dlya sushki dispersnogo materiala v zakruchennom potoke teplonositelya s SVCh-energopodvodom [Vortex drying chamber for drying disperse material in a swirling flow of the heat carrier with SHF energy supply] Patent RF № 2425311, 2011 (Russian).
6. Zhuravlev A.V., Kazartsev D.A., Borodkina A.V., Nesterov D.A. Kom-binirovannye apparaty s zakruchennym potokom teplonositelya dlya sushki disper-snykh materialov [The combined devices with the twirled heat carrier stream for drying of disperse materials] Tekhnologii pishchevoy i pererabatyvayushchey promyshlennosti APK- produkty zdorovogo pitaniya, 2014, No 2, pp. 52-59 (Russian).
7. Antipov S.T., Zhuravlev A.V. Teplo- i massoobmen pri sushke poslespirtovoy zernovoy bardy v apparate s zakruchennym potokom teplonositelya [Warm and a mass exchange when drying postspirit grain bards in the device with the twirled heat carrier stream], Voronezh, 2006, 252 pp. (Russian).
