CC BY
8
УДК 532 DOI 10.24412/2311-6447-2021-1-181-189
Исследование гидродинамики взвешенно-закрученного слоя семян амаранта
Investigation of hydrodynamics of suspended-twisted amaranth seed layer
Профессор A.B. Журавлев, доцент И.Н. Сухарев, соискатель А.В. Кирносов, магистр А.С. Фоменко
(Воронежский государственный университет инженерных технологий) кафедра машин и аппаратов пищевых производств, тел. (473) 255-38-96 E-mail: alexjav2@mail.ru
Professor A.V. Zhuravlev, Associate Professor A.V. Kirnosov, Master A.S. Fomenko
(Voronezh State University of Engineering Technologies) chair Food Production, tel. (473) 255-38-96 E-mail: alexjav2@mail.ru
Реферат. В настоящее время в отечественной промышленности для осуществления процесса сушки дисперсных сельскохозяйственных продуктов применяются в основном ленточные, слоевые, барабанные и ротационные конвективные сушилки, которые обладают рядом существенных недостатков: большие габариты и металлоемкость, сложность обслуживания и ремонта, большие капитальные и эксплуатационные затраты п т. п. Поэтому на сегодняшний момент необходимо от традиционных способов сушки, заложенных в существующих машинах, переходить к проектированию и разработке установок с прогрессивной технологией сушки. Гидродинамическая обстановка в сушильной камере существенно влияет на процесс сушки. В связи с этим практический интерес вызывает изучение влияния углов отклонения закручивающих потоков теплоносителя от тангенциального положения в вертикальной и горизонтальной плоскостях на степень закрученности слоя, время пребывания с камере материала и в итоге эффективность сушки. Эксперименты осуществлялись с семенами амаранта начальной влажностью 25 % ООО «Русская Олива». В результате исследований гидродинамической обстановки в сушильной камере установлены основные параметры взвешенно-закрученного слоя. Выявлена удельная нагрузка частиц продукта на газораспределительную решетку (s= 177 кг/м2), обеспечивающая максимизацию производительности сушилки. Определен интервал скоростей сушильного агента на входе в сушилку v = 11,8... 12,4 м/с.
Summary. Currently, in the domestic industry, mainly belt, layer, drum and rotary convective dryers are used to carry out the diying process of dispersed agricultural products, which have a number of significant drawbacks: large dimensions and metal consumption, complexity of maintenance and repair, large capital and operating costs, etc. Therefore, today it is necessary to move from the traditional drying methods laid down in existing machines to the design and development of installations with progressive drying technology. The hydrodynamic situation in the drying chamber significantly affects the drying process. In this regard, it is of practical interest to study the effect of the deflection angles of the swirling flows of the coolant from the tangential position in the vertical and horizontal planes on the degree of swirling of the layer, the residence time with the material chamber and, as a result, the drying efficiency. Experiments were carried out with amaranth seeds with an initial humidity of 25 % of Russkaya Oliva LLC. As a result of studies of the hydrodynamic situation in the drying chamber, the main parameters of the suspended-twisted layer were established. The specific load of the product particles on the gas distribution grid (s = 177 kg/m 'j was revealed, which ensures the maximum efficiency of the dryer. The range of diying agent speeds at the inlet to the dryer v = 11.8... 12.4m/sis determined.
Ключевые слова: сушка, снижение энергозатрат, фонтанирующий слой.
Keywords: drying, energy consumption reduction, fountain layer.
© A.B. Журавлев, И.Н. Сухарев, A.B. Кирносов, A.C. Фоменко, 2021
I.N. Sukharev, Applicant of Machinery and Apparatus of
Процесс сушки является основной стадией многих технологических процессов в различных отраслях промышленности, который в значительной степени определяет теплоэнергетические показатели производства и качество готового продукта. Снижение энергетических затрат на сушку наряду с повышением интенсивности влагоотдачи рассматривается как важнейшая задача при разработке новой технологии сушки и конструкций сушилок, а также при совершенствовании существующих.
В настоящее время в отечественной промышленности для осуществления процесса сушки дисперсных сельскохозяйственных продуктов применяются в основном ленточные, слоевые, барабанные и ротационные конвективные сушилки, которые обладают рядом существенных недостатков: большие габариты и металлоемкость, сложность обслуживания и ремонта, большие капитальные п эксплуатационные затраты и т. п. Поэтому на сегодняшний момент необходимо от традиционных способов сушки, заложенных в существующих машинах, переходить к проектированию и разработке установок с прогрессивной технологией сушки.
Гидродинамическая обстановка в сушильном аппарате определяется полем скоростей газовой и твердой фаз. Поле скоростей обусловливает распределение твердой и газовой фаз по времени пребывания в аппарате п в его отдельных зонах, условия перемешивания фаз. Одним из путей интенсификации тепло- и массооб-менных процессов при сушке является повышение эффективности гидродинамической обстановки (гидродинамики) сушильного аппарата, осуществить которое можно следующим образом.
1. Ликвидировать застойные зоны (заменить сушильные камеры с прямоугольным сечением на цилиндрические).
2. Заменить сушильную камеру с постоянной площадью сечения на сушильную камеру с увеличивающимся сечением по ходу движения теплоносителя, что вызывает появление режима фонтанирования, существенно отличающегося от режимов псевдоожижения.
3. Закрутить фонтанирующий слой в сушильной камере дополнительным потоком теплоносителя, что приводит к более активному гидродинамическому режиму при тех же параметрах расхода теплоносителя и продукта.
4. Изменить угол подвода дополнительного потока теплоносителя в вертикальном и горизонтальном направлениях, что, в свою очередь, позволит осуществить регулирование времени пребывания продукта в сушильной камере при постоянном расходе теплоносителя и дополнительно регулировать активность гидродинамической обстановки в сушилке. Данный принцип успешно реализуется в аппаратах с закрученными потоками теплоносителя. В них вследствие нестационарности гидродинамики обеспечиваются высокие межфазные относительные скорости. Это позволяет интенсифицировать межфазный тепло- и массообмен и в конечном итоге снизить капитальные и эксплуатационные затраты, облегчить управление процессами переработки сырья. Поэтому применение аппаратов с закрученным потоком теплоносителя для интенсификации процесса сушки дисперсных сельскохозяйственных материалов является прогрессивной технологией и представляет как теоретический интерес, так и практическую ценность.
Исследования гидродинамики и кинетики сушки семян амаранта проводили в экспериментальной сушильной установке, которая позволяет реализовывать различные гидродинамические режимы взвешенно-закрученного слоя (рпс.1, 2). Она состоит из вертикальной сушильной камеры 1 с газораспределительной решеткой 2, воздуховодов 3 и 4 для подвода осевого и тангенциальных потоков теплоносителя.
Рис. 1. Экспериментальная сушильная установка
Рис. 2. Схема экспериментальной установки
Центробежный вентилятор 5 снабжен шибером 6 для регулирования расхода воздуха. Электрокалорифер 7 нагнетает атмосферный воздух и нагревает его до требуемой температуры. Шиберы 9 и 10 установлены на осевом и двух закручивающих воздуховодах и позволяют регулировать потоки осевого и закручивающих расходов сушильного агента. Шибер 11 установлен в узле 8, позволяет сбрасывать теплоноситель в атмосферу. В завихрителе 18 формируется закрученный поток теплоносителя.
Есть устройства и приборы контроля и управления параметрами сушки. Темпе-рат}фа сушильного агента поддерживается автоматически при помощи микропроцессорного терморегулятора 12 ТРМ-201. Отбор проб продукта осуществлялся посредством сброса теплоносителя шибером 11. При помощи термопар 14 измеряли температуру слоя материала. В пульте управления 15 установлен счетчик электроэнергии 16. Регулирование потока сушильного агента осуществлялось с помощью шиберов 6, 9, 10. Измерение скоростного напора потока сушильного агента проводили и-образным дифманометром. Измерение скорости сушильного агента осуществлялось с помощью термоанемометра. Сопротивление слоя определяли и-образным дифманометром.
Гидродинамическая обстановка в сушильной камере существенно влияет на процесс сушки. В связи с этим практический интерес вызывает изучение влияния углов отклонения закручивающих потоков теплоносителя от тангенциального положения в вертикальной и горизонтальной плоскостях на степень закрученности слоя, время пребывания в камере материала и в итоге на эффективность сушки.
На рис. 3. показаны специально изготовленные завихрители с различными углами отклонения. Угол отклонения подводов закручивающих потоков от тангенциального положения в горизонтальной плоскости изменялся в интервале О...30 а в вертикальной плоскости в интервале 0...45
Эксперименты осуществлялись с семенами амаранта начальной влажностью 25 % (ООО «Русская Олива»).
Обозначим соотношение массовых расходов осевого и общего потоков теплоносителя через X, кг/кг, представляющей долю осевого сушильного агента в общем потоке теплоносителя, подаваемого на сушку. Величина 1-Х определяет степень закрученности слоя.
Зависимость сопротивления слоя Ар от скорости сушильного агента V при различной относительной влажности семян амаранта приведена на рис. 4. В экспериментах удельная нагрузка продукта на удерживающую решетку составляла 130 кг/м2, соотношение осевого и общего расходов потоков сушильного агента Х=1,0.
Рис. 3. Узел формирования потока теплоносителя
Увеличение скорости теплоносителя (рпс. 4.) от точки А до точки В отмечается повышением сопротивления слоя. Наблюдается внутренняя циркуляция семян амаранта в закрученном восходящем потоке в точке В. Высота этого участка меньше, чем высота неподвижного слоя. Через слой фильтруется сушильный агент. Повышение скорости теплоносителя приводит к резкому уменьшению сопротивления слоя. В точке С наблюдается «фонтан» и слой приходит в движение. Минимальная скорость псевдоожижения Употт соответствует точке С, а рабочий перепад давления Арраб соответствует сопротивлению слоя в этой точке. Выявлено, что с повышением влажности увеличивается скорость перехода в псевдоожи-женное состояние Мпотш и перепад давления Аррае.
На рис. 5 приведена зависимость сопротивления слоя от потока теплоносителя при различных удельных нагрузках продукта на решетку.
кПа
Фь с
Рис 4. Кривые зависимости Лр=/(У) при У=130 кг/м2, Х=1,0 кг/кг: 1 2-16,3 %;3 - Ш=20,7 %; 4 - I¥=25,00 %
Ш=12,0 %;
9,
кПа
Рис. 5. Кривые зависимости V при Ш=25 %, Х=1,0 кг/ кг: 1 - в = 106 кг/м2; 2 - э = 130 кг/м2; 3 - в = 153 кг/м2; 4 - э= 177 кг/м2
ш
ишпдкВиШ!
3 - Х=0,5; 4 - Х=0,25
На рис. 6 представлены кривые, характеризующие влияние сопротивления слоя на скорость сушильного агента при различных соотношениях осевого и общего потоков воздуха. Установлено, что с повышением степени закручивания слоя снижается скорость начала псевдоожпжения употт с одновременным уменьшением пика перепада давления Артах. При фонтанирующем режиме (Х=1) наблюдается максимальный перепад давления Арплах и переход слоя в псевдоожиженное состояние. Установлено, что с увеличением степени закручивания (уменьшении X) повышается скорость закручивающего потока сушильного агента. Это приводит к увеличению потребляемой мощности.
На рис. 7, 9 приведены обобщенные результаты исследований гидродинамики взвешенно-закрученного слоя семян амаранта. Выявлено, что при Х=1 максимальное значение перепада давления отмечается в «чистом» «фонтане». Повышение степени закручивания слоя приводит к снижению значения максимального перепада давления Ар
На рис. 7 приведены кривые зависимостей изменений максимального перепада давления Артах от соотношений расхода X при различной удельной нагрузке на решетку.
при удельной нагрузке на решетку .<>=153 кг м' 10
12
10
при удельной нагрузке на решетку я=153 кг л/'
I I при удельной нагрузке на решетку ¿=7 77 кг м * при удельной нагрузке на решетку л=7 77 кгм
П 7
0,9
0,8 1,0
0,9
0,8
0,7 0,9
0,8 0,7 0,6
1-й 2-и 3-о 4-т
при удельной нагрузке на решетку 8=130 кг м'
1-й 2-и 3-0 4-9
10
8 10
1 - о 2 - ш 3-0 4-т
1 2-я 3-О 4-•
О
0,25
0,5
0,75
X
Рис. 7. Зависимость Артах = /(Х.э) при: 1-Ш=25%,2-Ш=20, 6 7%, 3 - Ш=16,33 %, 4-Ш=12 %
Рис. 9. Зависимость \/потт = /(X,в) при: 1 - V/ = 2 5 % , 2 - Ш = 2 О , 6 7%, 3 - Ш=1б,33%,4 - Ш=12 %
:
6
На рис. 8 представлено влияние соотношений расходов сушильного агента X при различных значениях удельной нагрузки на рабочий перепад давления слоя
Ар раб..
На рис. 9. представлено влияние соотношения осевого и общего потоков сушильного агента X на минимальную скорость псевдоожижения упо™*1- Выявлено, что при повышении степени закручивания слоя уменьшается скорость фонтанирования.
кПа
О 0,25 0,5 0,75
Рис. 8. Зависимость Аppa5=f(X,s) при: 1 - W=25 %; 2 - W=20,67 %; 3 - W= 16,33 %; 4 - W= 12 %
В результате исследований гидродинамической обстановки в сушильной камере установлены основные параметры взвешенно-закрученного слоя. Выявлена удельная нагрузка частиц продукта на газораспределительную решетку (s=177 кг/м2), обеспечивающая максимизацию производительности сушилки. Определен интервал скоростей сушильного агента на входе в сушилку V=11,8... 12,4 м/с.
ЛИТЕРАТУРА
1. Разработка математической модели сушки семян амаранта в аппарате со взвешеино-закрученным слоем Журавлев A.B., Бородкина A.B., Черноусов И.М. Вестник ВГУИТ / ВГУИТ. Воронеж, 2015. № 1. - С. 58-62.
2. Исследование форм связи влаги в семенах амаранта сорта Ультра методом дифференциально-термического анализа. Антипов С.Т., Журавлев A.B., Кузнецова И.В., Черноусов И.М., Баранов А.Ю. Хранение и переработка сельхозсырья. 2010. № 8. С. 40-41.
3. Антипов, С. Т. Влияние полидисперсностп материала на гидродинамику сушильного аппарата с закрученным потоком теплоносителя [Текст] / С. Т. Антипов, А. В. Прибытков, А. В. Журавлев / / Вестник ВГТУ / Воронеж, гос. техн. универ. Воронеж, 2005. № 6. - С. 8-13.
4. Патент № 2290583 Россия, МПК7 F 26 В 25/22. Способ автоматического управления процессом сушки дисперсных материалов активном гидродинамическом режиме [Текст] / Антипов С. Т., Журавлев А. В., Прибытков А. В. // Воронеж, гос. технол. акад. - № 2005112585; заявл. 26.04.2005; опубл. 27.12.2006, Бюл. № 36.
REFERENCES
1. Development of a mathematical model for drying amaranth seeds in an apparatus with a weighted-twisted layer Zhuravlev A.V., Borodkina A.V., Chernousov I.M. Bulletin VGUIT/VGUIT. Voronezh, 2015. No 1. Pp. 58-62.
2. Investigation of moisture bonding forms in amaranth seeds of Ultra grade by differential thermal analysis. Antipov S.T., Zhuravlev A.V., Kuznetsova I.V., Chernousov I.M., Baranov A.Yu. Storage and processing of agricultural raw materials. 2010. No 8. Pp. 40-41.
3. Antipov, S.T. Effect of polydispersity of material on hydrodynamics of a dryer with a swirled coolant flow [Text ]/C. T. Antipov, A. V. Pribytkov, A. V. Zhuravlev//Bulletin of VSTU/Voronezh. State Technician, univer. Voronezh, 2005. No 6. Pp. 8-13.
4. Patent No. 2290583 Russia, MPK7 F 26 В 25/22. Method of automatic control of drying of disperse materials in active hydrodynamic mode [Text ]/Antipov S.T., Zhuravlev A.V., Pribytkov A.V.//Voronezh, state technol. acad. - No 2005112585; declared. 26.04.2005; publ. 27.12.2006, Buhl. No 36.
