CC BY
7УДК 631.365.23
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА СУШКИ РАСТИТЕЛЬНОЙ МАССЫ В КАМЕРЕ КОНИЧЕСКО-ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ
П.А.Чапский, А.И.Рухляда, Н.П.Киселева
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Северо-Кавказский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства» (ФГБНУ СКНИИМЭСХ)
Аннотация. Представлены результаты экспериментальных исследований процесса низкотемпературной сушки измельченного растительного материала исходной влажностью 70-77 % во взвешенном слое в сушильной камере коническо-цилиндрической формы с механическим побуждением высушиваемого материала. В качестве сушильного агента в лабораторной установке применяется нагретый электрокалорифером воздух.
Ключевые слова: сушка, измельченный растительный материал, взвешенный слой, активация слоя, оптимальные параметры.
Введение. Основой технологии приготовления травяной муки, используемой в качестве источника каротина в рационах сельскохозяйственных животных и птицы, до недавнего времени являлась высокотемпературная сушка измельченных зеленых трав с последующим размолом в муку. Технологический процесс характеризуется высокими энергоемкостью и расходом жидких нефтепродуктов (газа) и в настоящее время имеет ограниченное применение. Альтернативой ему, в известной степени, может служить низкотемпературная сушка трав при относительно небольших объемах производства. Низкотемпературные сушилки (лотковые, конвейерные) [1] характеризуются простотой конструкции, более низкой стоимостью и универсальностью, но производительность их невелика, и необходимы дополнительные способы интенсификации влагоотдачи высушиваемым материалом.
Анализ результатов имеющихся исследований [2, 3] показывает, что скорость сушки растительных материалов определяется температурой сушильного агента, его скоростью в сушильной камере и величиной удельной нагрузки высушиваемого материала на
распределительную решетку. При этом одним из наиболее реальных способов интенсификации процесса влагоотдачи высушиваемым материалом является увеличение поверхности контакта газовой и твердой фаз за счет измельчения (расщепления) высушиваемого материала в зоне действия теплоносителя [4] или использования активного гидродинамического режима, реализуемого, к примеру, в аппаратах коническо-цилиндрической формы со взвешенным слоем [5, 6]. Однако ранее выполненными в институте исследованиями установлено, что реализовать в чистом виде устойчивый «кипящий» слой измельченной растительной массы в конической камере практически не представляется возможным. Вследствие неоднородности гранулометрического состава высушиваемого материала (листовая и стеблевая фракции, разная длина резки) и неравномерного распределения его по сечению камеры в местах наименьшего сопротивления слоя материала потоку теплоносителя образуются воронки (кратеры), из которых узкой струей выбрасывается теплоноситель с частицами высушиваемого материала, а вокруг образуется кольцевой слой малоподвижных частиц материала. Концентрация высушиваемого материала в такой струе невысока, что ведет к неэффективному использованию теплоносителя. В этой связи представляется целесообразным ввести дополнительную активацию слоя материала в камере, обеспечивая тем самым более равномерное распределение его по сечению, а, следовательно, и более эффективное использование сушащего потенциала теплоносителя. Результаты исследования процесса сушки с активацией слоя измельченного растительного материала в камере коническо-цилиндрической формы и составили содержание данной статьи.
Результаты исследований. Параметрами, характеризующими процесс сушки растительного материала в камере, являлись:
- производительность сушилки по испаренной влаге, отнесенная к 1 м2 воздухораспределительной решетки, М, кг/ч-м2;
- расход энергии на 1 кг испаренной влаги, Ы, кВт ч/кг;
- скорость сушки, 3, %/ч;
- влажность высушенного материала, Ж, %.
Факторами, определяющими процесс сушки материала в камере, выступали:
- температура сушильного агента на входе в камеру, Т, °С;
- часовой расход сушильного агента, Q, м3/ч.
Удельная нагрузка растительного материала на воздухораспределительную решетку по результатам ранее выполненных исследований принималась равной 159,0 кг/м2.
При проведении исследований варьируемыми принимались все факторы.
Уровни изменения факторов, определяющих процесс сушки материала, приведены в таблице.
Материалом для сушки служила люцерна в стадии начала цветения.
Таблица 1 - Уровни варьирования факторов
Факторы, х1 У ювни варьирования
нижний основной верхний
х1(Т) 85 105 125
х2(0) 600 800 1000
Методика проведения исследований заключалась в следующем. С помощью воздушных заслонок в сушильной камере задавали требуемый часовой расход сушильного агента и включали в работу электрокалорифер. Из измельченной до длины 5-10 мм растительной массы формировали навеску материала, соответствующую требуемой величине нагрузки на воздухораспределительную решетку. При установившейся температуре сушильного агента на выходе из калорифера в камеру загружали подготовленную навеску материала, и поток теплоносителя переключали на сушку. Продолжительность опытов составляла 30 минут. В течение опыта регулярно (через каждые 5 минут) регистрировали температуру сушильного агента на входе в слой материала и на выходе из сушильной камеры, температуру сухой и влажной термопар и перепад давления в камере. По окончании опыта выгружали массу из осадительного циклона и сушильной камеры, взвешивали ее и отбирали образцы для анализа на влажность. Полученные данные использовали при расчете параметров процесса сушки. Энергозатраты при этом, рассчитывали по количеству тепла, переданного высушиваемому материалу от сушильного агента за учетный период.
Лабораторная установка (рисунок 1) включала сушильную камеру коническо-цилиндрической формы объемом 0,22 м3 с размещенными в ней воздухораспределительной решеткой и направляющим конусом, стабилизатор потока сушильного агента, питатель растительной массы, тепловентиляционный блок, воздуховоды с регулировочными заслонками, переключатель потока сушильного агента и осадительный циклон. Температуру поступающего в сушильную камеру и отработавшего сушильного
агента замеряли с помощью термопар, подключенных к регистрирующему прибору, перепад давления в камере -Ц-образным манометром. Расход сушильного агента в камере рассчитывали по показаниям чашечного анемометра, регистрирующего скорость агента сушки на выходе из камеры.
Рисунок 1 - Общий вид установки для сушки зеленых кормов
Для активации слоя высушиваемого в камере материала предполагалось использовать струю сушильного агента или механическое побуждение материала. По первому варианту часть потока агента сушки отбиралась в кольцевую камеру, а затем через кольцевую щель направлялась в камеру сушки по образующей поверхности конуса, способствуя смещению малоподвижного периферийного слоя материала к центру камеры. Во втором варианте использовался механический побудитель материала в камере, приводимый от электродвигателя через червячный редуктор.
Наблюдениями за процессом в камере установлено, что использование струи агента сушки для активации малоподвижного слоя материала у стенок камеры может дать эффект лишь при больших его расходах. На реализованных в опытах величинах часового расхода некоторый эффект отмечался лишь на достаточно просохшем материале. Более приемлемым оказался вариант механического побуждения высушиваемого материала. С использованием этого способа активации и были выполнены экспериментальные исследования.
Полученные опытные данные были обработаны на персональной ЭВМ по программе статистической обработки, и выведены уравнения регрессии, описывающие связь параметров процесса сушки с независимыми факторами:
- влажность высушенного материала, Ж, %
Ж = 382,219 - 0,397^ - 3,335Т + 1,617-10-4^2 + + 9,73940-4^-Т + 0,01-Т2;
- производительность по испаренной влаге, М, кг/ч-м2
М = 1895,82 + 3,524•Q - 54,926Т - 0,002•Q2 -
- 0,002^Т + 0,246-Т2;
- скорость сушки материала, 3, %/ч
3 = -1137,46 + 0,97^ + 14,328Т - 8,426-10-4^2 + + 0,005^Т - 0,077Т2;
- расход энергии на 1 кг испаренной влаги, Ы, кВт ч/кг
N = 8,55 - 0,004^ - 0,124Т + 6,89240-6^2 -
- 6,932-10-5^- Т + 8,453-10ЛТ2.
Приведенные уравнения регрессии адекватно описывают данный процесс при коэффициентах корреляции Я = 0,95^1,0, объяснённом отклонении (расхождении) 90,4-99,8 % и уровне значимости р < 0,05.
Анализ представленных уравнений показывает, что на основные показатели процесса сушки растительной массы в камере коническо-цилиндрической формы с механическим побуждением материала большее, по сравнению с часовым расходом теплоносителя Q, влияние оказывает температура сушильного агента Т - отношение коэффициентов при их линейных членах Ъ21Ъ\ составляет: для влажности высушенного материала - 8,4, производительности по испаренной влаге - 15,6, скорости сушки - 14,8, расхода энергии -31,0.
Для определения области оптимальных значений факторов, влияющих на процесс сушки, проведены исследования поверхности
отклика с помощью двумерных сечений, контурные линии которых соответствуют определенным значениям его параметров (рисунок 2).
Анализируя приведенные графики можно отметить, что удовлетворяющие агротехническим требованиям значения влажности высушенного материала 8-12 % обеспечиваются в довольно широком диапазоне сочетаний значений часового расхода теплоносителя Q и его температуры Т - от 550 м3/ч при 130-140°С до 1050 м3/ч при 92-100°С. Максимальное значение скорости сушки материала 3 смещается в область, ограничиваемую величинами часового расхода теплоносителя 800-1000 м3/ч и его температуры 108-132°С. Минимум энергозатрат на испарение 1 кг влаги приходится на область, ограничиваемую величинами часового расхода теплоносителя 700-900 м3/ч и его температуры 98-115°С. Производительность по испаренной влаге в отмеченных областях составляет от 185,0 до 283,0 кг/м2ч.
140
130
с!
(и
Влажность. УУ, %
е- 120
1 - 3,273
2 - 6,545
3-9,818
4-13,091
5-16,364
6-19,636 7 - 22,909 8-26,182 9 - 29,455 10-32,727
(а а.
§ 100
80
550
650
750
850
950
1050
Часовой расход, м3/ч
а
750 850
Часовой расход, м3/ч б
Часовой расход, м3/ч в
Скорость сушки, ,1, %/ч
Энергозатраты. Г . кВт-ч/к г
1-0,592
2-0,643
3-0,694
4-0,744
5-0.795
6-0,846 7 - 0,397 8-0,948 9 - 0,998 10-1.049
750 850
Часовой расход. м3/ч г
Рисунок 2 - Двумерные сечения поверхности отклика: а - влажность Ш = /^, Т, К = 159 кг/м2, п = 20,5 мин-1,); б - производительность по испаренной влаге М=/Т, К =
= 159 кг/м2, n = 20,5 мин1,); в - скорость сушки J = f (Q, T, K 159 кг/м2, n = 20,5 мин-1); г - энергозатраты N = f (Q, T, K = 159 кг/м2, n 20,5 мин-1)
Для принятия окончательного решения по выбору оптимальных режимов процесса сушки растительного материала проведено наложение полученных двумерных сечений с целью определения значений факторов и параметров, обеспечивающих получение продукта кондиционной (10-12 %) влажности (рисунок 3).
Р 110
Производи-
Влажность, тельность по
W, % испаренной
1 - 3,273 влаге,
2 - 6,545 Н, кг/ч-м2
3-9,818 1 - 152,727
4-13,091 2- 185,454
5-16,364 3-218,182
6-19,636 4-250,909
7 - 22,909 5-283,636
8-26,182 6-316,364
9 - 29,455 7-349,091
10 -32,727 8-381,818
9-414,545
10-447,273
550 650 750 850 950 1050
Часовой расход, мэ/ч Рисунок 3 - Номограмма для определения значений факторов процесса сушки, обеспечивающих получение продукта кондиционной
(10-12 %) влажности (для параметров влажность Ж -производительность по испаренной влаге М)
На рисунке 4 приведены графики, построенные по результатам обработки представленных номограмм, отражающие параметры процесса, удовлетворяющие требованиям получения высушенного продукта кондиционной влажности при различных режимах сушки.
Выводы. На основании анализа приведенных графиков можно выделить область рациональных (для условий проведенных опытов) значений технологических параметров низкотемпературной сушки измельченной растительной массы в камере коническо-цилиндрической формы объёмом 0,22 м3 с механическим побуждением высушиваемого материала, обеспечивающих досушивание измельченной растительной массы исходной влажностью 70-77 % до влажности 8-12 %:
- нагрузка на воздухораспределительную решетку - 159,0 кг/м2;
- часовой расход сушильного агента - 750,0- 850,0 м3/ч;
- температура сушильного агента на входе в камеру - 90,0-105,0
°С.
Рисунок 4 - Параметры и факторы процесса, обеспечивающие получение продукта кондиционной (8-12 %) влажности
Производительность сушилки по испаренной влаге составит при этом 270,0-300,0 кг/ч м2, что по сухому продукту соответствует 105,0115,0 кг/ч на 1 м2 воздухораспределительной решетки. Скорость сушки равна 120 %/ч, расход энергии на 1 кг испаренной влаги - 0,7 кВтч.
Температура высушенного материала составляет 60- 65°С. Потери давления в слое высушиваемого материала изменяются от 200 Па в начальный период сушки до 100 Па - в заключительный. Относительная влажность отработанного агента сушки в продолжение опыта изменяется от 44 % до 6,0 %, что свидетельствует о целесообразности применения его рециркуляции.
Список использованных источников:
1. Демин, А.В. Поточные линии сушки трав и другого растительного сырья на базе электротепловой конвейерной установки / А.А. Демин, А.В. Тихомиров // Комплексная электрификация тепловых процессов в сельскохозяйственном производстве: Сб. науч. трудов ВИЭСХ. - Т. 60. - М.: ВИЭСХ, 1984.- С. 46-55.
2. Машины и аппараты пищевых производств. В 2-х кн. Кн.2: Учебн. для вузов / С.Т. Антипов, И.Т. Кретов, А.Н. Остриков [и др].; Под ред.акад РАСХН В.А.Панфилова. - М.: Высшая школа, 2001.- 680 с.: ил.
3. Гинзбург, А.С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов / А.С. Гинзбург. - М.: Пищевая промышленность, 1973. -528 с.
4. Котов, Б.И. Интенсификация сушки трав / Б.И. Котов, В.Е. Поединок, Н.Ф. Лещук, Э.В. Шнюрявичус // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 1981. -№ 1. - С. 8-11.
5. Плановский, А.Н. Сушка дисперсных материалов в химической промышленности / А.Н. Плановский, В.И. Муштаев, В.М. Ульянов. - М.: Химия, 1979. - 287 с.
6. Соколов, П.В. Проектирование сушильных и нагревательных установок для древесины / П.В. Соколов. - М.: Лесная промышленность, 1965.- 331 с.
Чапский Петр Алексеевич кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник,
Рухляда Артем Игоревич младший научный сотрудник,
Киселева Наталья Петровна научный сотрудник
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Северо-Кавказский научно-исследовательский институт
механизации и электрификации сельского хозяйства» (ФГБНУ СКНИИМЭСХ), отдел механизации животноводства.
347740, Россия, Ростовская область, г. Зерноград, ул. им. Ленина, д. 14, тел. 8-86359-35-2-42, e-mail: mehkorm@yandex.ru
THE RESEARCH RESULTS THE PROCESS OF CROP DRYING IN THE CHAMBER OF A CONICAL-CYLINDRICAL SHAPE Chapskiy P.A., Rukhlyada A.I., Kiseleva N.P.
Abstract. Results of experimental studies of the process of low temperature drying of powdered plant material with initial moisture content 70-77 % in suspended layer in the drying chamber of a conical-cylindrical shape with a mechanical impulse of the drying material. The air warmed with electric heater is used as a drying agent in the laboratory unit.
Keywords: drying, powdered plant material, suspended layer, activation layer, optimal parameters
Chapskiy P.A., leading scientific associate, candidate of Science in Engineering, Rukhlyada A.I., junior scientific associate, Kiseleva N.P., scientific associate
Federal state budgetary scientific institution North-Caucasian scientific research Institute of mechanization and electrification of agriculture Russia, Rostov region, Zernograd, e-mail: mehkorm@yandex.ru.
