CC BY
109
ПРОДОВОЛЬСТВЕННОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 66.047:663
Профессор С.Т. Антипов, доцент А.В. Журавлев, доцент Д.А. Казарцев, соискатель А.В. Бородкина, аспирант Д.А. Нестеров
(Воронеж, гос. ун-т инж. технол.) кафедра машин и аппаратов пищевых производств, тел. (473) 255-38-96
Комбинированные аппараты с закрученным потоком теплоносителя для сушки дисперсных материалов
Проведен литературный анализ данных о конструкциях сушильных установок. Представлены сушильные установки для сушки дисперсных материалов. Разработаны технические решения для сушки дисперсных продуктов с высоким диффузионным сопротивлением движению влаги.
The literature data analysis on the constructions drying installations. Presents drying plants for drying of dispersed materials. Developed technical solutions or drying of dispersed products with high diffusion resistance movement of moisture.
Ключевые слова: дисперсные материалы, сушильная установка, СВЧ-энергоподвод, закрученный поток.
Наиболее распространенные процессы в химической, пищевой, фармацевтической промышленности - сушильные, т.к. они являются завершающими стадиями технологических схем и во многом определяют качество готовой продукции, энерго-и материалоемкость производства.
Используемые на отечественных предприятиях сушилки (барабанные, ленточные, слоевые и т.п.) при высоком энергопотреблении не обеспечивают требуемой производительности и качества готового продукта.
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 и развитой турбулентной структурой потока, рабочий объем 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 скорость обтекания частицами, что приводит к увеличению скорости ведения технологического процесса по сравнению с другими устройствами [1].
©Антипов С.Т., Журавлев А.В., Казарцев Д.А., Бородкина А.В., Нестеров Д.А.,2014
На основании проведенного анализа литературных данных о конструкциях сушилок, относящихся к данному классу, и результатов исследования процесса сушки ряда дисперсных материалов нами было разработано оригинальное устройство для сушки полидисперсных материалов, в котором реализуется высокоактивный гидродинамический режим в процессе непрерывной сушки.
Для сушки дисперсных продуктов с высоким диффузионным сопротивлением движению влаги предлагается оригинальное техническое решение, заключающееся в интеграции активного гидродинамического режима и электромагнитного поля сверхвысокой частоты в сушильной камере. Данное техническое решение реализовано в установке вихревого типа с активным гидродинамическим режимом для СВЧ-сушки (рис. 1).
Основными компонентами установки являются: электродвигатель 1, приводящий в движение крыльчатку вентилятора 2, калорифер 3 с оребренными воздушными ТЭНами для подогрева теплоносителя, бункер загрузки 4, вихревая сушильная камера 5, снабженная СВЧ-излучателем 6, осадительный циклон 7, пульт управления 8.
Рис. 1. Установка для сушки дисперсных продуктов с высоким диффузионным сопротивлением
Установка работает следующим образом. Небольшая часть теплоносителя (воздуха) засасывается вентилятором 2 через защитный экран 12 СВЧ-излучателя 6; оставшаяся основная часть теплоносителя поступает в вентилятор 2 из окружающей среды. Далее теплоноситель подается в калорифер 3, где нагревается до необходимой температуры, проходя через оребренные воздушные ТЭНы 9. Температуру теплоносителя можно менять в зависимости от влажности исходного продукта путем плавного регулирования напряжения электрического тока питания нагревательных элементов калорифера 3. Влажный дисперсный продукт через бункер загрузки 4 поступает во входной патрубок вихревой сушильной камеры 5. Одновременно из калорифера 3 подается поток горячего теплоносителя, в котором частицы влажного дисперсного продукта распределяются с образованием газовзвеси и направляются в вихревую сушильную камеру 5, где происходит процесс интенсивной сушки.
Важную роль в предотвращении «распада» слоя вращающейся газовзвеси играет волнообразная вставка 10 на внутренней поверхности сушильной камеры 5,
благодаря которой происходит локальная турбулизация потока теплоносителя и активный унос частиц дисперсного материала из зоны подъема продукта.
Интенсификация тепло- и массообмена в процессе сушки происходит также за счет воздействия СВЧ-энергии на частицы дисперсного продукта.
Подвод СВЧ-энергии обеспечивается излучателем 6, необходимое охлаждение которого осуществляется путем всасывания наружного воздуха в вентилятор 2 через защитный экран 12 излучателя 6. Контакту СВЧ-излучателя 6 с частицами материала препятствует фторопластовая пластина 13, встроенная в корпус вихревой сушильной камеры 5 и свободно пропускающая СВЧ-излучение.
В процессе сушки более влажные частицы дисперсного материала под воздействием СВЧ-энергии нагреваются более интенсивно, чем частицы, имеющие меньшую влажность, таким способом происходит выравнивание влажности материала. Поэтому температура теплоносителя может быть снижена на 20...40 °С, чем в случае только конвективного подвода тепловой энергии.
Кроме того, интенсификация процесса сушки достигается за счет равномерного распределения СВЧ-поля по объему сушильной камеры 5 в результате сочетания «правильной» цилиндрической формы камеры и специально подобранной конструкции волновода 11.
Частицы высушенного дисперсного материала захватываются потоком теплоносителя и выносятся через центральное отверстие в вихревой сушильной камере 5 в осадительный циклон 7, где происходит интенсивное разделение высушенной твердой и отработанной газовых фаз потока. Сухой продукт выводится через отверстие в конической части осадительного циклона 7, а отработанный теплоноситель выводится в атмосферу [2].
Преимущества предлагаемой установки вихревого типа с активным гидродинамическим режимом для СВЧ-сушки заключаются в следующем:
- комбинированный конвективно-высокочастотный способ подвода теплоты позволяет интенсифицировать процесс сушки дисперсных продуктов с высоким диффузионным сопротивлением, повысить производительность установки и эффективность использования габаритных размеров вихревой сушильной камеры;
- значительное снижение энергозатрат на процесс сушки по сравнению с подводом теплоты только за счет конвективного нагрева;
- повышение качества готового продукта вследствие равномерного высушивания за счет эффекта самовыравнивания влажности.
Одним из основных направлений интенсификации процессов тепло- и массообмена является совершенствование гидродинамической обстановки в аппаратах. Способы сушки, основанные на технике взвешенного слоя, получают в настоящее время все большее распространение в промышленности.
Также разработана оригинальная конструкция сушилки с регулируемым закрученным потоком теплоносителя [3].
Сушилка (рис. 2) состоит из цилиндроконической сушильной камеры 1 с окном 2 и патрубком 3 для вывода смеси сушеного продукта и отработанного теплоносителя и крышкой 5, патрубком 4 для ввода исходного влажного дисперсного материала, патрубка 6 для подачи осевого потока теплоносителя, в котором в нижней части концентрично расположен завихритель 7, а в его верхней части тангенциально установлен патрубок 8 для подвода дополнительного потока теплоносителя. Удерживающая решетка 8 предназначена для предотвращения попадания частиц материала в воздуховод в случае экстренной остановки сушильной установки.
А-
.3
-и
І
ю
Тантал іишіьнмй ІІОЮК ттіоностсля
ІЕЗІ
2
Осевой
поток теплоносителя
Рис. 2. Сушилка с регулируемым закрученным потоком теплоносителя
Траектории закрученных потоков теплоносителя, образованные подводом осевого и тангенциального потоков, показаны линиями 10.
Сушилка с регулируемым закрученным потоком теплоносителя работает следующим образом. Через патрубок 6 для подвода осевого потока теплоносителя в сушильную камеру 1 подается горячий теплоноситель, проходит через завихритель 7 и закручивается. Через тангенциальный патрубок 8 подается дополнительный поток горячего теплоносителя, который докручивает основной поток теплоносителя до требуемой интенсивности закрутки. После этого исходный влажный дисперсный материал подается в сушильную камеру 1 через патрубок 4, где интенсивно происходит процесс сушки во взвешенно-закрученном слое, при этом ядро фонтана дисперсного материала вращается вокруг вертикальной оси сушилки, совпадая с направлением движения закручивающего потока, и этим самым достигается равномерное тангенциальное закручивание во взвешенно-закрученном слое. Теплоноситель вместе с частицами материала совершает сложное циркуляционное движение вдоль окружности аппарата, увеличивая при этом свою скорость. Тангенциальная скорость частиц обусловливает возникновение центробежной силы, которая отбрасывает частицы от центра сушильной камеры к ее стенкам, образуя взвешенно-закрученный слой - вращающееся кольцо. При этом процесс сушки протекает в неустановившемся режиме при высокой относительной скорости частиц материала и теплоносителя. Осевая составляющая скорости закрученного потока по высоте сушильной камеры падает, скорость витания продукта по мере его высыхания -уменьшается. За счет этого продукт по мере его высыхания фонтанирует в закрученном потоке теплоносителя и поднимается на большую высоту по оси сушильной камеры. Суммарный расход теплоносителя подбирается таким образом, что, достигнув необходимой влажности, продукт удаляется из сушильной камеры, увлеченный отработанным потоком теплоносителя через выводное окно 2 и патрубок 3 для вывода смеси сушеного продукта и отработанного теплоносителя сушильной камеры 1. Конечная влажность готового продукта регулируется скоростью осевого и тангенциальных потоков теплоносителя. За счет изменения тангенциальной составляющей потока теплоносителя можно добиться максимальной равномерности закручивания потока материала и теплоносителя, а меняя осевую составляющую потока теплоносителя, можно регулировать время пребывания продукта в сушильной камере, тем самым значительно интенсифицировать тепломассообменные процессы при прочих равных параметрах сушки.
В случае экстренной остановки сушилки продукт задерживается на решетке 9 и не проваливается в воздуховод.
Таким образом, предлагаемая сушилка с регулируемым закрученным потоком теплоносителя имеет следующие преимущества:
- позволяет получить готовый продукт более высокого качества за счет организации равномерного закручивания потоков материала и теплоносителя и исключения его контакта с поверхностью тангенциальных воздуховодов;
- благодаря установке завихрителя снижаются энергетические затраты на закручивание потока теплоносителя;
- организация выгрузки готового продукта через окно в патрубок облегчает процесс выгрузки и сбора готового продукта;
- благодаря возможности регулирования закрученности потока теплоносителя и времени пребывания материала в сушильной камере, сушилка может настраиваться на различные режимы сушки различного рода дисперсных материалов.
Для повышения качества высушиваемого материала, интенсификации процессов тепло - и массообмена, уменьшения энергозатрат на процесс сушки дисперсных материалов, обеспечения стабилизации активного гидродинамического режима вихревой сушильной камеры и равномерного распределения потока СВЧ-энергии по объему камеры, упрощения конструкции вихревой сушильной камеры и снижения затрат на её изготовление предложена вихревая сушильная камера для сушки дисперсного матриала в закрученном потоке теплоносителя с СВЧ-энергоподводом (рис. 3). Она состоит из: цилиндрического корпуса 1, патрубка 2 для ввода газовзвеси, выполненного сужающимся на входе в сушильную камеру, внутренняя поверхность корпуса вихревой сушильной камеры снабжена фторопластовым покрытием 3 для уменьшения коэффициента трения частиц материала о внутреннюю поверхность корпуса вихревой сушильной камеры, локальных ускорителей потока теплоносителя 4, закрепленных на боковой поверхности внутри корпуса вихревой сушильной камеры таким образом, чтобы сформировать устойчивый вращающийся кольцевой слой высушиваемых частиц материала и исключить возможность их накопления в зоне максимального сопротивления движению частиц, и расположенных в зоне подъема высушиваемого материала, направляющих вставок 5, отделяющих высушенные частицы от основного вращающегося слоя и направляющих их в центральную зону вихревой сушильной камеры, расположенных в зоне возврата частиц к точке подъема, СВЧ-излучателя 6, установленного тангенциально на внешней цилиндрической поверхности корпуса 1 вихревой сушильной камеры таким образом, чтобы наибольшая плотность потока электромагнитной энергии была сосредоточена в зоне вращающегося кольцевого слоя высушиваемых частиц материала, отводящего патрубка 7 для вывода высушенного материала [4].
Рис. 3. Вихревая сушильная камера для сушки дисперсного материала в закрученном потоке теплоносителя с СВЧ-энергоподводом
Сушку дисперсного материала в вихревой сушильной камере осуществляют следующим образом. Образуемая после подачи влажного дисперсного материала в теплоноситель газовзвесь нагнетается в рабочее пространство вихревой
7
сушильной камеры 1 через патрубок 2 для ввода газовзвеси, сужающийся на входе в сушильную камеру для увеличения скорости теплоносителя.
Вращение частиц влажного материала в течение основного времени сушки происходит в пристенной зоне вихревой сушильной камеры 1. В результате более легкие подсушенные частицы смещаются по радиусу к центру и с помощью направляющих вставок 5 отделяются от вращающегося кольцевого слоя и направляются в центральную зону вихревой сушильной камеры 1, где продолжают вращение до полного высушивания и уноса через отводной патрубок 7.
Для интенсификации процесса тепломассообмена и обеспечения наилучших условий поглощения частицами материала подводимой энергии СВЧ-излучатель 6 установлен на наружной цилиндрической поверхности вихревой сушильной камеры 1 в зоне расположения направляющих вставок 5, где обеспечивается снижение скорости газовзвеси и максимальное воздействие электромагнитного излучения на частицы материала, и тангенциально направлен в рабочее пространство камеры, чтобы испускаемые им электромагнитные волны, отражаясь от внутренней цилиндрической поверхности вихревой сушильной камеры 1, равномерно распределялись в области вращающегося кольцевого слоя, где наблюдается наивысшая концентрация высушиваемого материала.
Таким образом, предлагаемая вихревая сушильная камера для сушки дисперсного материала в закрученном потоке теплоносителя с СВЧ-энергоподводом имеет следующие преимущества:
- вихревая сушильная камера является универсальной, то есть она может использоваться во всех отраслях промышленности, где необходима сушка дисперсных материалов;
- внутренняя поверхность вихревой сушильной камеры с фторопластовым покрытием позволяет уменьшить истирание частиц, вследствие чего значительно повышается качество высушиваемого материала;
- использование предлагаемой сушильной камеры позволит повысить качество сушки всех классов дисперсных материалов за счет обеспечения равномерного поглощения подведенной энергии;
- уменьшение количества СВЧ-излучателей, исключение применения специальных волноводов сложной конфигурации для равномерного распределения потока СВЧ-энергии по объему камеры упрощает конструкцию вихревой сушильной камеры и снижает затраты на её изготовление.
Аппарат для сушки дисперсных материалов в закрученном потоке теплоносителя с СВЧ-энергоподводом (рис. 4) состоит из цилиндроконической сушильной камеры 1, в нижней части которой установлено устройство, выполненное в виде улитки 2, снабженное питателем 3, патрубком 4 подачи тангенциального потока теплоносителя и разгонным участком 5 для получения газовзвеси, патрубком 6 для подвода осевого потока теплоносителя, выполненным по оси камеры и концентрично установленным в нем завихрителем 7. Над завихрителем установлена решетка 8. Цилиндрическая часть 9 цилиндроконической сушильной камеры 1 содержит окно 10 и патрубок 11 для вывода высушенного материала и отработанного теплоносителя. Над цилиндрической частью 9 концентрично установлен СВЧ-излучатель (магнетрон) 12 таким образом, чтобы наибольшая плотность потока электромагнитной энергии была сосредоточена в зоне вращающегося кольцевого слоя высушиваемых частиц дисперсного материала [5]. Удерживающая решетка 8 предназначена для предотвращения попадания частиц дисперсного материала в воздуховод в случае экстренной остановки аппарата. Траектории закрученных потоков теплоносителя, образованные подводом осевого и тангенциального потоков, показаны линиями 13.
Сушка влажного дисперсного материала осуществляется в три этапа. Аппарат для сушки дисперсных материалов в закрученном потоке теплоносителя с СВЧ-энергоподводом работает следующим образом. Влажный дисперсный материал питателем 3 (рис. 4) подается в разгонный участок 5. Одновременно через патрубок 4 подачи тангенциального потока теплоносителя в него подается горячий теплоноситель.
В результате этого происходит образование газовзвеси, 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.
^ Iа
ЄПЛОИОСи(ТБ/Ь
Рис. 4. Аппарат для сушки дисперсных материалов в закрученном потоке теплоносителя с СВЧ-энергоподводом
Осевая составляющая скорости закрученного потока по высоте цилиндроконической 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 СВЧ-энергии на частицы дисперсного материала, что обеспечивает III этап процесса сушки.
Подвод СВЧ-энергии к частицам дисперсного материала обеспечивается СВЧ-излучателем (магнетроном) 12, установленным таким образом, чтобы наибольшая плотность потока электромагнитной энергии была сосредоточена в зоне вращающегося кольцевого слоя высушиваемых частиц дисперсного материала.
Вследствие концентричной установки СВЧ-излучателя (магнетрона) 12 обеспечивается равномерное распределение СВЧ-поля в цилиндрической части 9 цилиндроконической сушильной камеры 1. В случае экстренной остановки аппарата дисперсный материал задерживается на решетке 8.
Таким образом, предлагаемый аппарат для сушки дисперсных материалов в закрученном потоке теплоносителя с СВЧ-энергоподводом позволяет:
- 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;
- обеспечить прогрев дисперсного материала и организовать стабильный режим работы устройства за счет наличия питателя и разгонного участка, позволяющего получить газовзвесь непосредственно перед входом в цилиндроконическую сушильную камеру;
- снизить себестоимость готового продукта.
Достоинства данных технических решений, а также универсальность представленных конструкций сушильного оборудования для проведения процесса сушки в активном гидродинамическом режиме и с использованием СВЧ-энергии позволяют сделать вывод о необходимости применения данных установок во всех отраслях промышленности, где необходима сушка дисперсных материалов.
ЛИТЕРАТУРА
1. 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, гос. технол. акад. Воронеж: ВГТА, 2006. - 252 с.
2. Антипов, С. Т. Высокоинтенсивные сушильные установки комбинированного типа [Текст] / С. Т. Антипов, Д.А. Казарцев, А. В. Журавлев, Е. С. Бунин // Инновации в науке и образовании-2006. - Труды научной конференции в 2 ч.- Калининград: КГТУ, 2006. Ч. 1. - С. 379-381.
3. Патент № 2480693 Россия, МПК7 F 26 В 17/10. Сушилка с регулируемым закрученным потоком теплоносителя [Текст] / Антипов С. Т., Журавлев А.В., Казарцев Д.А., Баранов А.Ю. // Воронеж, гос. технол. акад. - № 2011113204; заявл. 05.04.2011; опубл. 27.04.2013 Бюл. № 12.
4. Патент № 2425311 Россия, МПК7 F 26 В 17/10. Вихревая сушильная камера для сушки дисперсного материала в закрученном потоке теплоносителя с СВЧ-энергоподводом [Текст] / Антипов С. Т., Журавлев А. В., Казарцев Д. А., Бунин Е.С., Баранов А.Ю., Юрова И. С.// Воронеж, гос. технол. акад. - № 2010115946/06; заявл. 21.04.2010; опубл. 27.07.2011 Бюл. № 21.
5. Тепло- и массообмен при сушке семян рапса в СВЧ-аппарате с закрученным потоком теплоносителя [Текст] / И. С. Юрова, И. Т. Кретов, А. В. Журавлев, Д. А. Казарцев; Воронеж, гос. ун-т инж. технол. - Воронеж: ВГУИТ, 2012. - 192 с.
REFERENCES
1. Antipov, S.T. Heat and mass transfer in drying of distillery grains in the apparatus with the twirled stream of the carrier [Text] / S.T. Antipov, A.V. Zhuravlev; Voronezh. state technology. Acad. Voronezh: the VSTA, 2006. - 252 P.
2. Antipov, S. T. High-intensity drying installation of the combined type [Text] / S. T. Antipov, D.A. Kazarcev, A.V. Zhuravlev, E.S. Bunin // Innovations in science and education-2006. - Proceedings of the scientific conference in 2 hours.- Kaliningrad: KSTU, 2006. PM 1. - P. 379-381.
3. Patent № 2480693 Russia, MPK7 F 26 В 17/10. Dryer with adjustable twirled stream of the carrier [Text] / Antipov S.T, Zhuravlev A.V., Kazarcev D.A., Baranov A.Yu. // Voronezh, state technology. Acad, no 2011113204; Appl. 05.04.2011; publ. 27.04.2013 bul. № 12.
4. Patent № 2425311 Russia, MPK7 F 26 В 17/10. Vortex drying chamber for drying of dispersed material, twisted flow of a fluid with a microwave power supply [Text] / Antipov S.T., Zhuravlev A.V., Kazarcev D.A., Bunin E.S., Baranov A.Yu., Yurova I.S.// Voronezh, state technology. Acad. № 2010115946/06; Appl. 21.04.2010; publ. 27.07.2011 bul. № 21.
5. Heat and mass transfer in drying of rape seeds in the microwave device with the twirled stream of the carrier [Text] / I.S. Yurova, I.T. Kretov, A.V. Zhuravlev, D.A. Kazarcev; Voronezh, gos. UN-t ing. the technology. - Voronezh: UGUETH, 2012. - 192 P.
