CC BY
43
УДК 66.047:663
Доцент A.B. Журавлев, доцент Д.А. Казарцев, доцент И.С. Юрова, доцент Э.В. Ряжских,
(Воронеж, гос. ун-т инж. технол.) кафедра машин и аппаратов пищевых производств, тел. (473) 255-38-96 E-mail: [email protected] доцент Е.С. Бунин
(Воронеж, гос. ун-т инж. технол.) кафедра естественных дисциплин, тел. (473) 253-05-07
Associate Professor A.V. Zhuravlev, Associate Professor D.A. Kazartsev, Associate Professor I.S. Yurova, Associate Professor E.V. Ryazhskikh
(The Voronezh State University of Engineering Technologies) chair
of the machines and devices of food manufactures,
tel. (473) 255-38-96
E-mail: [email protected]
Associate Professor E.S. Bunin
(The Voronezh State University of Engineering Technologies) chair of natural disciplines, tel. (473) 253-05-07
Разработка конструкции вихревой сушильной камеры с СВЧ-энергоподводом
Development of a design of the vortex drying camera with the microwave oven - a power supply
Реферат. Процесс сушки является основной стадией многих технологических процессов в различных отраслях промышленности, кото-рый(ая) 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 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 и т. п. Одним из путей создания новой сушильной техники, обеспечивающей при получении продукта заданного качества экономное энергопотребление и эффективное улавливание продуктов уноса, является разработка и внедрение в промышленность высокоинтенсивных аппаратов с активными гидродинамическими режимами и комбинированным энергоподводом, обеспечивающих во многих случаях более высокие технико-экономические показатели. Данный принцип весьма успешно реализуется в аппаратах с закрученными потоками теплоносителя. В них вследствие нестационарности гидродинамики обеспечиваются высокие межфазные относительные скорости. Это позволяет
© Журавлев A.B., Казарцев Д.А., Юрова И.С., Ряжских Э.В., Бунин Е.С., 2014
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 материалов является прогрессивной технологией и представляет как теоретический интерес, так и практическую ценность. Авторами настоящей статьи разработана оригинальная сушилка с СВЧ-энергоподводом, принцип действия которой основан на создании различных активных гидродинамических режимов, позволяющих упростить конструкции сушильных устройств, уменьшить энергетические затраты, а также благодаря особой аэродинамической структуре вихревых потоков создать весьма благоприятные условия для проведения процессов тепло- и массообмена между газовой фазой и обрабатываемым материалом, что, в свою очередь, позволяет улучшить качество готового продукта.
Summary. Process of drying is the main stage of many technological processes in various industries which substantially defines heat power indicators of production and quality of a ready-made product. Decrease in power costs of drying along with increase of intensity of moisture-yielding ability is considered as the major task when developing new technology of drying and designs of dryers, and also at improvement of the existing. Now in the domestic industry generally tape, layered, drum and rotational con-vective dryers which possess a number of essential shortcomings are used to implementation of process of drying of disperse products: big dimensions and metal consumption, complexity of service and repair, big capital and operational expenditure, etc. One of ways of creation of new drying equipment, providing when receiving a product of the set quality, economical energy consumption and effective catching of products of ablation, is разра-бот and introduction in the industry of high-intensity devices with the active hydrodynamic modes and combined ener-gopodvody, providing higher technical and economic rates in many cases. This principle is quite successfully realized in devices with the twirled heat carrier streams. In them owing to not stationarity of hydrodynamics high interphase relative speeds are provided. It allows to intensify interphase warm and a mass exchange and finally to lower capital and operational expenditure, to facilitate management of processes of processing of raw materials. Therefore use of devices with the twirled heat carrier stream for an intensification of process of drying of disperse materials is progressive technology and represents both theoretical interest, and practical value. Authors of the present article, developed the original dryer with SVCh-energopodvodom which principle of action is based on creation of various active hydrodynamic modes allowing to simplify designs of drying devices, to reduce power expenses and also thanks to special aerodynamic structure of vortex streams to create very favorable conditions for carrying out processes warm and a mass exchange between a gas phase and the processed material that in turn allows to improve quality of a finished product.
Ключевые слова: сушка, сушильная камера, дисперсный материал, закрученный поток теплоносителя, тепло- и массообмен, СВЧ-энергоподвод, вихревой поток.
Keywords: drying, the drying camera, disperse material, the twirled stream of the heat carrier, warm and a mass exchange, the microwave oven - a power supply, a vortex stream.
Многолетний опыт эксплуатации предприятиями пищевой и химической промышленности сушильных установок, в основу которых положен принцип закрученного потока теплоносителя, в частности установок вихревого типа, показал, что при всех своих преимуществах они обладают рядом недостатков, таких, как ухудшение качества высушиваемого материала вследствие истирания его о внутреннюю поверхность камеры, нарушение стабильности вращающегося кольцевого слоя при
сушке дисперсных материалов из-за образования «завала» в зоне подъема высушиваемых частиц, значительные затраты электроэнергии на поддержание необходимой скорости теплоносителя для сохранения постоянства величины центробежной силы, удерживающей в камере слой дисперсного материала [1].
Применение СВЧ-энергоподвода в сушильных установках сложной конструкции, активный гидродинамический режим в которых обеспечивается созданием кипящего слоя материала, режимов фонтанирования и т. п., сопряжено с рядом трудностей, связанных с разработкой специальных волноводов сложной конфигурации для равномерного распределения потока СВЧ-энергии по объему камеры, что усложняет конструкцию и повышает затраты на её изготовление [2, 3].
Для устранения указанных недостатков нами была разработана вихревая сушильная камера для сушки дисперсного материала в закрученном потоке теплоносителя с СВЧ-энергоподводом (рис. 1, 2) [2, 4, 5].
Вихревая сушильная камера 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.
Рис. 1. Вихревая сушильная камера для сушки дисперсного материала в закрученном потоке теплоносителя с СВЧ-энергоподводом
Рис. 2. Фронтальная проекция вихревой сушильной камеры для сушки дисперсного материала в закрученном потоке теплоносителя с СВЧ-энергоподводом
7
Сушку дисперсного материала в вихревой сушильной камере осуществляют следующим образом.
Образуемая после подачи влажного дисперсного материала в теплоноситель газовзвесь нагнетается в рабочее пространство вихревой сушильной камеры 1 через патрубок 2 для ввода газовзвеси, сужающийся на входе в сушильную камеру для увеличения скорости теплоносителя.
Рис. 3. Схема сил, действующих на частицу в закрученном потоке теплоносителя
При этом высушиваемый материал попадает в зону максимального сопротивления его движению (рис. 3), в которой существует наибольшая вероятность образования скопления высушиваемых частиц за счет возрастающего на этом участке сушильной камеры действия сил сопротивления движению материала и, как следствие, происходит нарушение стабильности вращающегося кольцевого слоя. Эта зона определяется изменением угла а наклона касательной а - а, проведенной к поверхности камеры через точку контакта каждой частицы высушиваемого материала с этой поверхностью, к горизонтали 0-0 в диапазоне 0 ...90 .
Представленная на рис. 2 схема иллюстрирует действие на каждую частицу высушиваемого материала следующих сил:
1) сила гидродинамического сопротивления ^гд, Н,
_$xd2p{(p-vf ГД 8
>
где £ - коэффициент гидравлического сопротивления камеры; d - диаметр частицы высушиваемого материала, м; р - плотность теплоносителя, кг/м3; а>- скорость потока теплоносителя, м/с; v- абсолютная скорость частицы, м/с;
2) сила нормального давления (реакция вогнутой стенки камеры) N, Н;
3) сила трения частицы о внутреннюю поверхность камеры Ftp, Н,
FTP=JN
у
где/- коэффициент трения частицы о материал внутренней поверхности камеры;
4) сила тяжести Ft, Н,
FT = mg
у
где т - масса частицы, кг; g = 9,81 - ускорение свободного падения, м/с2;
5) центробежная сила F-ц, Н
mir_
ц~ R
У
где R - радиус внутренней поверхности сушильной камеры, м.
Анализируя представленную схему (рис. 2), можно сделать вывод о влиянии действующих сил на ускорение частицы высушиваемого материала, которое в инерциальных системах прямо пропорционально величине равнодействующей этих сил и обратно пропорционально массе частицы:
_ F а = — т
>
где а - ускорение частицы; F - равнодействующая всех сил, действующих на частицу.
F = Frfí +РЦ +FTP +FT +Ñ
При прохождении частицей материала зоны максимального сопротивления её движению уравнения движения этой частицы в проекциях на оси о - х и о - у выбранной системы координат могут быть представлены в виде
о-х: -F'ii'+Fi/i-F'isina = та;
о-у: N-F\ i-Fr-cosa = О. Отсюда
V E,nd'p(co-v)-
°~х- - fjy н-----mg sin а = та;
о-у: mv1
N =--ь mg eos сс\
R
Движение рассматриваемой частицы определяется уравнением
End1 p(co-vf rmv2 r
ma = ---/--tmgcosa-mgsmoc,
8 R
тогда ускорение частицы в общем случае будет определено зависимостью
а =-
^л-сГ-р(о)-и)2 '
8 т
f---1- fgcosa + gsinar
v~ R J
(*)
где a - угол наклона касательной а - а, проведенной к поверхности вихревой сушильной камеры через точку контакта частицы с этой поверхностью, к горизонтали О - О, град.
Из приведенной зависимости следует, что отрицательное влияние на ускорение частицы оказывают коэффициент трения f частицы о материал внутренней поверхности вихревой сушильной камеры, угол а наклона касательной а - а, проведенной к поверхности камеры через точку контакта каждой частицы высушиваемого материала с этой поверхностью, к горизонтали 0-0, а также снижение скорости потока теплоносителя ш.
С целью уменьшения влияния коэффициента трения на ускорение частицы высушиваемого материала, а также предотвращения его истирания внутренняя поверхность вихревой сушильной камеры 1 снабжена фторопластовым покрытием 3.
Наибольшее влияние угла а наклона касательной а - а, проведенной к поверхности камеры через каждую точку контакта частицы высушиваемого материала с этой поверхностью, к горизонтали 0-0 на ускорение частицы наблюдается в интервале а = 0°...90° (в зоне максимального сопротивления движению частиц), так как при а = 0°...90° cosa > 0 и sina > 0. Поэтому при прохождении частицей дисперсного материала этой зоны её замедление будет максимальным.
В интервале а = 90°... 180 "влияние силы тяжести и силы нормального давления способствует уменьшению трения частицы о внутреннюю поверхность вихревой сушильной камеры. Анализируя зависимость (*), видим, что в интервале а = 90°... 180° cosa < 0. Это говорит о возможности ускорения частицы материала на этом участке камеры.
Однако частица не получает необходимого ускорения на данном участке вихревой сушильной камеры вследствие уменьшения скорости теплоносителя.
Так как расход подведенного и отработанного теплоносителя одинаков, его скорость зависит от площади поперечного сечения газохода. Площадь поперечного сечения сушильной камеры резко увеличивается сразу за патрубком 2 для ввода газовзвеси. Вследствие этого происходит значительное рассеяние кинетической энергии газовой струи в рабочее пространство вихревой сушильной камеры и уменьшение скорости потока теплоносителя.
Повышение скорости потока теплоносителя без увеличения его расхода и, как следствие, увеличения потерь напора на участке нагнетания (а значит без увеличения энергозатрат) обеспечивается с помощью локальных ускорителей потока теплоносителя 4, расположенных в зоне подъема частиц высушиваемого материала, определённой интервалом а = 90°... 180°, и закрепленных на боковой поверхности внутри корпуса 1 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.
Вращение частиц влажного материала в течение основного времени сушки происходит в пристенной зоне вихревой сушильной камеры 1. В процессе сушки снижается влагосодержание частиц, уменьшается их масса вследствие чего ослабевает действие на них центробежной силы Яц. 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.
Расстояние установки локальных ускорителей потока теплоносителя 4 и направляющих вставок 5 от центра камеры определяется видом и размером частиц высушиваемого материала.
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 с СВЧ-энергоподводом имеет следующие преимущества:
- является универсальной, то есть может использоваться во всех отраслях промышленности, где необходима сушка дисперсных материалов;
- внутренняя поверхность камеры с фторопластовым покрытием позволяет уменьшить истирание частиц, вследствие чего значительно повышается качество высушиваемого материала;
- обеспечивается закономерное движение частиц высушиваемого материала, то есть стабильность гидродинамической обстановки в рабочем пространстве вихревой сушильной камеры, интенсифицируется тепломассообмен и снижаются энергозатраты на процесс сушки;
- использование сушильной камеры позволяет 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).
ЛИТЕРАТУРА
1. Тепло- и массообмен при сушке семян расторопши в вихревой камере с СВЧ-энергоподводом [Текст] / И.С. Юрова, И.Т. Кретов, А.В. Журавлев, Д.А. Казар-цев. - Воронеж, 2012. - 192 с.
2. Пат. 2272230, Российская Федерация, F 26 В 17/10. Сушилка с активной гидродинамикой и пофракционной обработкой материала [Текст] / Антипов С.Т., Журавлев А.В., Прибытков А.В.- № 2004130341; заявл. 15.10.2004; Опубл. 20.03.2006, Бюл. № 8.
3. Тепло- и массообмен при сушке семян рапса в СВЧ-аппарате с закрученным потоком теплоносителя [Текст] / С.Т. Антипов, Е.С. Бунин, А.В. Журавлев, А.В. Казарцев. - Воронеж, 2010. - 212 с.
4. Пат. 2425311, Российская Федерация, F 26 В 17/10. Вихревая сушильная камера для сушки дисперсного материала в закрученном потоке теплоносителя с С ВЧ-энергоподводом / Антипов С.Т., Журавлев А.В., Казарцев Д.А., Бунин Е.С., Баранов А.Ю., Юрова И.С. - № 2010115946; заявл. 21.04.2010; Опубл. 27.07.2011, Бюл. № 21.
5. Комбинированные аппараты с закрученным потоком теплоносителя для сушки дисперсных материалов [Текст] / С.Т. Антипов, 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.
REFERENCE
1. Warm and a mass exchange when drying seeds of a thistle in the vortex camera with SVCh-energopodvodom [Text] / I.S. Yurova, I.T. Kretov, A.V. Zhuravlev, D.A. Ka-zartsev. - Voronezh, 2012. - 192 p.
2. Stalemate. 2272230, Russian Federation, F 26 В 17/10. The dryer with active hydrodynamics and pofraktsionny processing of material [Text] / Antipov S. Т., Zhuravlev A. V., Pribytkov A.V. - № 2004130341; заявл. 15.10.2004; Opubl. 20.03.2006, Bulletin № 8.
3. Warm and a mass exchange when drying seeds of a colza in the microwave device with the twirled stream of the heat carrier [Text] / S.T. Antipov, E.S. Bunin, A.V. Zhuravlev, A.V. Kazartsev . - Voronezh, 2010. - 212 p.
4. Stalemate. 2425311, Russian Federation, F 26 В 17/10. The vortex drying camera for drying of disperse material in the twirled heat carrier stream with SVCh-energopodvodom / Antipov S.T., Zhuravlev A.V., Kazartsev D.A., Bunin E.S., A.YU., Yurov I.S. Rams. - № 2010115946; заявл. 21.04.2010; Opubl. 27.07.2011, Bulletin № 21.
5. The combined devices with the twirled heat carrier stream for drying of disperse materials [Text] / S.T. Antipov, A.V. Zhuravlev, D.A. Kazar-tsev, A.V. Borodkina, D.A. Nesterov // Technologies of food and processing industry of agrarian and industrial complex - products of healthy food .- 2014. - № 2. - P. 52-59.
