Чем отличается действительная сушилка от теоретической

Обновлено: 27.06.2022

Представляется целесообразным изучить и реализовать на практике возможность наиболее экономичного с энергетической точки зрения совмещения двух физических механизмов сушки (конвекционного и инфракрасного или микроволнового) и достижения на этой основе дальнейшего существенного снижения энергоемкости процесса обезвожи­вания.

Во многих отраслях промышленности и сельского хозяйства приходится сталкиваться с необходимостью снижения влажности различных продуктов и материалов.

Применительно к сельскому хозяйству и пищеперерабатывающим отраслям промышленности это связано с общей задачей повышения сохраняемости плодоовощной и прочей сельскохозяйственной продукции, для чего в последние десятилетия были созданы многочисленные технологии сушки различных продуктов (доведение их до такой влажности, при которой содержащиеся в них сахара начинают играть роль консервантов). Причем эти технологии находят все более широкое применение [1, 2, 3, 4], наблюдается формирование сушильной отрасли промышленности и увеличение производства сушеных овощей и фруктов.

При любом масштабе использования сушильных технологий принципиальной представляется реализация ряда технико-экономических параметров, таких как минимально возможная энергоемкость процесса, максимальная однородность сушки, минимальное время выхода на заданную влажность, и некоторых других характеристик обезвоживания. Эти параметры могут быть обеспечены грамотным подходом к выбору наиболее подходящих к данной конкретной ситуации базовых физических процессов, приводящих к обезвоживанию продуктов, соответствующих им технологий сушки и, наконец, за счет создания оборудования, на котором указанные процессы и технологии могут быть реализованы.

На сегодняшний день существует большое количество различных технологий сушки (обезвоживания): естественная сушка, аэрационная [2], конвекционная [2, 3, 4, 5, 6, 7], сушка в псевдокипящем слое [2, 8], инфракрасная сушка [3, 9, 10, 13], микроволновая [1, 3], сублимационная [3] и т.д. Проведем сравнительный анализ этих технологий, базирующийся на использовании относительно небольшой системы параметров (критериев): производительности, энергоемкости, скорости сушки, сохраняемости в процессе сушки полезных веществ и витаминов и т.д. Из результатов его с очевидностью следует, что наиболее широко используемые в сельскохозяйственной, пищеперерабатывающей и других отраслях промышленности технологии и оборудование, основанные на конвекционных механизмах обезвоживания [2], не обеспечивают достаточно высокого качества получаемой продукции и характеризуются большой энергоемкостью процесса. Указанные недостатки конвекционной сушки обусловлены спецификой взаимодействия горячего воздуха (либо иного теплоагента) с высушиваемыми объектами на различных этапах процесса сушки. На начальном этапе сушильного процесса взаимодействие протекает достаточно эффективно, энергоемкость процесса мала, а скорость сушки достаточно высока. Однако по мере высыхания продукта и связанного с этим снижения его тепло- и массопроводящих характеристик все большая доля тепловой энергии не проникает в глубь высушиваемых продуктов, а переизлучается в пространство. Энергоемкость процесса возрастает, время сушки многократно увеличивается, возникают локальные перегревы продукта (в первую очередь его поверхностных слоев). Это напрямую отражается на качестве готовой продукции. Так, для пищевых продуктов увеличение времени и температуры процесса сушки приводит к потере пищевой ценности продукта (снижению сохраняемости содержащихся в нем полезных веществ и витаминов), ухудшению его органолептических характеристик (локальным изменениям цвета, слипанию отдельных частиц и т.д.).

Особенно большое влияние указанной специфики процесса конвекционной сушки на технико-экономические параметры процесса и качество конечной продукции наблюдается при обезвоживании продуктов с невысоким исходным влагосодержанием. Так, например, для таких пищевых продуктов, как высококрахмальные сорта картофеля, чеснок, острые сорта лука, у которых исходное содержание влаги не превышает 250-300%, ограничения, свойственные конвекционным методам сушки, проявляются практически с самого начала процесса обезвоживания. Полученные такими методами сушеные продукты принципиально непригодны для последующего использования в качестве ингредиентов детского и диетического питания, имеют ограниченное применение в консервной и других отраслях пищеперерабатывающей промышленности.

Большая энергоемкость процесса приводит в целом по сушильной отрасли к неоправданным потерям энергии, повышенному потреблению жидких и газообразных видов топлива, энергия сжигания которых используется в процессах конвективной сушки. Следствием последнего является также и снижение экологической чистоты как техпроцесса сушки, так и собственно получаемых с помощью конвекционных технологий сушеных овощей и фруктов.

Близкие по сущности проблемы возникают при использовании менее распространенных, но имеющих подобные же недостатки технологий сушки в псевдокипящем слое и других, основанных (как и конвекционная сушка) на поверхностном обогреве высушиваемых продуктов.

Очевидно, что современные и обеспечивающие высокое качество конечного продукта технологии сушки должны опираться на иные физические механизмы обезвоживания, на физические процессы, ход которых не так сильно связан с изменяющимися в процессе сушки собственными свойствами продуктов (в первую очередь с их тепло- и массопроводностью).

Весьма перспективно в этом плане использование ИК-сушки и микроволновой сушки [9, 10, 11, 13] ввиду ряда важных отличий от классических методов нагрева. Во-первых, не требуется наличия теплоносителя, способствующего загрязнению обрабатываемого материала; отсутствуют взрывоопасные концентрации и потери материала за счет уноса. Во-вторых, материал не перегревается вблизи теплопередающей стенки; тепловыделение происходит в объеме материала, и его температура выше, чем температура стенок аппарата. В-третьих, оптимальными конструкционными материалами являются второпласт, кварцевое стекло и т.п., которые обеспечивают высокую стерильность процесса, но создают серьезные затруднения при подводе тепла обычными методами. В-четвертых, интенсивность нагрева не зависит от агрегатного состояния материала, только от его оптических, диэлектрических свойств и напряженности СВЧ- поля.

Для сушки тонких слоев очень эффективно использование ИК-нагрева [13]. В этом случае интенсификация сушки увеличивается в 1,5-2 раза при снижении энергозатрат в 1,5 раза [13].

В настоящее время существует достаточно большое количество различных методов искусственного обезвоживания (сушки) продуктов растительного происхождения и соответствующих им конструкций сушильного оборудования. При создании последних необходимо придерживаться определенных требований. Прежде всего, конструкция оборудования должна обеспечивать равномерный нагрев и сушку продукта при надежном контроле его температуры и влажности. Кроме того, сушильное оборудование должно иметь меньшую металлоемкость. И, наконец, современное сушильное оборудование должно быть универсальным в части возможности сушки различных материалов.

Установки для сельскохозяйственной продукции классифицируют по целому ряду признаков [3]:

  1. По способу подвода тепла к влажному материалу: конвекционные, кондуктивные (контактные), радиационные (с инфракрасным излучением или с токами высокой (ТВЧ) и сверхвысокой (СВЧ) частоты).
  2. По давлению воздуха в сушильной камере: атмосферные, вакуумные, сублимационные.
  3. По характеру работы: аппараты периодического и непрерывного действия.
  4. По виду сушильного агента: аппараты, использующие нагретый воздух, дымовые газы, смесь воздуха с дымовыми газами или перегретый пар.
  5. По циркуляции сушильного агента: установки с естественной и с принудительной циркуляцией при помощи центробежных и осевых вентиляторов.
  6. По характеру движения сушильного агента относительно материала: прямоточные (при одинаковом направлении сушильного агента и материала), противоточные (при противоположном движении сушильного агента и материала), с пронизыванием слоя материала потоком сушильного агента.
  7. По способу нагрева сушильного агента: сушильные установки с паровыми, огневыми, электрическими калориферами.
  8. По кратности использования сушильного агента: с однократным и многократным использованием нагретого воздуха в различных вариантах.
  9. По виду объекта сушки: для твердых (крупных, мелких, пылевидных), жидких и пастообразных материалов.
  10. По конструктивным признакам: тоннельные, камерные, шахтные, коридорные, барабанные, вальцевые и др.

По важнейшему классификационному признаку — способу подвода тепла — сушилки бывают: конвекционные (высушиваемый материал омывается потоком предварительно нагретого сушильного агента), контактные (непосредственный контакт высушиваемого материала с нагреваемой поверхностью), сублимационные (удаление влаги в замороженном состоянии под вакуумом), радиационные (высушивание под действием инфракрасного излучения) и высокочастотные (удаление влаги под действием электрического поля высокой частоты).

Самое широкое промышленное применение получили конвекционные сушилки различных конструкций (камерные, барабанные, пневматические, ленточные, с кипящим слоем и пр.).

В основном варианте конвекционной сушилки сушильный агент, предварительно нагретый в калорифере до максимально допустимой температуры, движется через рабочую камеру, непосредственно соприкасаясь с высушиваемым материалом. Отличительная особенность этого варианта — однократный нагрев и однократное использование сушильного агента.

В камерной сушилке основным узлом является сушильная прямоугольная камера, внутри которой помещается высушиваемый продукт. Камерные сушилки непрерывного действия неудобны в эксплуатации, имеют низкие технико-экономические показатели и трудно поддаются автоматизации, поэтому в настоящее время используются камерные сушилки периодического действия. Сушка осуществляется либо чистым нагретым воздухом, либо смесью топочных газов с воздухом. Сушилки бывают двухкамерные, коридорного типа, шкафные.

Барабанные сушилки представляют собой цилиндр с внутренней насадкой для пересыпания и перемешивания материала с целью улучшения его контакта с сушильным агентом. Барабан устанавливается либо горизонтально, опираясь бандажами на опорные ролики, либо с небольшим наклоном (0,5-0,3°). Известны сушилки с диаметром барабана до 3500 мм и длиной его до 3,5-7 диаметров. Барабан медленно вращается (0,5-0,8 об./мин.) [12].

Пневматические сушилки состоят из одной или нескольких последовательно соединенных вертикальных труб. Высушиваемый материал перемещается по этим трубам потоком сушильного агента, скорость которого превышает скорость движения наиболее крупных частиц (обычно 10-40 см/с). Вследствие кратковременности контакта (1-5 с) эта сушилка пригодна для термически нестойких материалов даже при высокой температуре сушильного агента.

В ленточных сушилках высушиваемый материал движется по бесконечной ленте (или на нескольких последовательно расположенных лентах), натянутой между ведущим и ведомым барабанами. Сушка осуществляется горячим воздухом или топочными газами, движущимися вдоль лент или в перекрестном токе. В настоящее время наиболее известны ленточные сушилки TS-P-5 (фирмы ZER), S-5-5 и S-10-10 (фирмы Sandvik) КСК-45 (Шебекинский завод, Россия) и др.

Общий для всех перечисленных выше установок принцип конвекционной сушки состоит в продувке слоя продуктов подогретым воздухом либо иным теплоагентом. Скорость испарения (масса испаренной в единицу времени влаги) dx/dt с поверхности S зависит от соотношения парциального давления пара в окружающей среде h, парциального давления насыщенного пара в пограничном слое продукта H и общего барометрического давления В следующим образом:

формула

  1. Контактные (например, вальцовые) сушилки используются для сушки материалов под атмосферным давлением или под вакуумом. Бывают одно- и двухвальцовые сушилки. Основной их частью являются медленно вращающиеся (2-10 об./мин.) вальцы, в которые через полую цапфу поступает греющий пар. Высушиваемый материал поступает на вальцы, налипает на их поверхность тонким слоем (1-2 мм), высушивается и срезывается ножом. Коэффициент теплоотдачи при этом способе значительно выше, чем при конвекционной сушке, и составляет 170-180 Вт/(м 2 -К) (для типовой конвекционной — 3-10 Вт/(м 2 -К)). Однако это не приводит к существенному снижению теплоемкости процесса, так как основные проблемы обоих методов обусловлены теплообменом не на границе материала, а в его внутренних слоях. В целом же контактная сушка имеет весьма ограниченное применение.
  2. Сублимационные сушилки используются для сушки пищевых продуктов в замороженном состоянии в условиях глубокого вакуума. Основное количество влаги (75-90%) удаляется при сублимации льда при температуре продукта ниже 0° (остаточное давление — 6,65-332,5 Н/м, или 0,05-2,50 мм рт.ст.), и только удаление остаточной влаги происходит при нагреве материала до 40-60°С. При сублимационной сушке отсутствует окислительное действие кислорода воздуха, в результате продукты сушки отличаются высоким качеством, сохраняют питательные вещества, обладают повышенной восстанавливающейся способностью, имеют незначительную усадку, сохраняют цвет, имеют пористое строение. С точки зрения сохранения качества сублимационная сушка является наиболее совершенной из всех способов сушки. Однако такие сушилки используются крайне редко вследствие чрезмерной себестоимости производимой с их применением продукции.
  3. Инфракрасные сушилки. По типу излучателей ИК-лучей различают терморадиационные сушилки с электрическим и газовым обогревом. Сушилки с электрическим обогревом компактны, просты в обращении и эксплуатации, безынерционны. Однако высокий расход электроэнергии и неравномерность сушки ограничивают их применение. Терморадиационные сушилки с газовыми панельными излучателями более экономичны и обеспечивают более равномерную сушку, чем сушилки с электрообогревом.
  1. Микроволновая сушка. За несколько десятилетий, прошедших с момента появления научных и технических предпосылок для создания аппаратуры и технологий СВЧ-сушки, создано огромное количество различных вариаций установок СВЧ-нагрева. Микроволновые установки, или СВЧ-установки — оборудование, работающее в диапазоне от 300 МГц до 300 ГГц, что соответствует длине волн от 1 м до 1 мм. Наибольшее распространение в качестве генератора СВЧ-излучения в микроволновых установках нашли магнетроны на 2450, 2375 МГц и мощностью от 0,5 до 1 кВт. КПД отдельных конструкций магнетронов достигает 85%.

Микроволновое излучение обеспечивает высокое качество продукции, энерго- и ресурсосбережение, быстроту приготовления, при этом нагрев происходит по всему объему продукта, уменьшается разрушение содержащихся витаминов, биологически активных веществ и эфирных масел.

Во влажном продукте при достаточно больших значениях параметров тепло- и массопроводности конвекционная сушка имеет преимущества в силу существенно более высокого КПД получения энергии (теплоты). По мере уменьшения (в процессе обезвоживания продуктов) параметров тепло- и массопроводности и естественного снижения эффективности конвекционной сушки менее энергоемкой становится инфракрасная и микроволновая сушка. Таким образом, представляется целесообразным изучить и реализовать на практике возможность наиболее экономичного с энергетической точки зрения совмещения двух физических механизмов сушки (конвекционного и инфракрасного или микроволнового) и достижения на этой основе дальнейшего существенного снижения энергоемкости процесса обезвоживания.

Литература

Кунилова Т.М., аспирант, Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий


МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИКИ СУШИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

1. Краткая характеристика способов сушки сельскохозяйственных продуктов

Сушка сельскохозяйственной продукции является важнейшим звеном в системе послеуборочной обработки урожая. Она обеспечивает возможность длительного хранения сырьевых материалов и уменьшает затраты на их транспортировку, позволяет для многих культур интенсифицировать процесс дальнейшей переработки.

Технология сушки продуктов предполагает различные способы подвода теплоты к материалу. По этому признаку различают сушку – конвективную; кондуктивную (контактную); радиационную (инфракрасными лучами); токами высокой частоты; сублимационную.

Во всех перечисленных способах сушки можно использовать электрический нагрев, так как нет принципиальных отличий в технологии сушки (по сравнению с огневыми сушками). Электрическим способом сушки является только сушка токами высокой частоты.

Для интенсификации процесса сушки в сушильных установках реализуют комбинацию перечисленных выше способов.

Конвективная (воздушно-тепловая) сушка является наиболее широко используемым способом сушки большинства влажных материалов в сельскохозяйственном производстве. Нагретый в электрокалорифере или огневом теплогенераторе воздух (или смесь воздуха с топочными газами) проходит через высушиваемый материал, нагревая его и поглощая испарившуюся влагу. Влага удаляется сушильным агентом из зоны сушки.

Наибольшие объемы сушильного материала приходятся на зерновые культуры (рожь, пшеница, ячмень, овес и др.). Для сушки этих культур используют преимущественно шахтные и барабанные сушилки. В небольших объемах зерно сушат в сушилках различных конструкций (ромбических, напольных, карусельных и т.п.).

Кондуктивная сушка осуществляется в сушильных установках, где материал находится на нагретой металлической поверхности. Теплота передается непосредственно от горячей поверхности, а влага поглощается окружающей средой. Конструктивно сушилки выполняют в виде шкафов, греющих панелей, вибрационных наклонных греющих столов, греющих вальцовых барабанов и др.

При кондуктивной сушке можно получить очень большие плотности теплового потока на греющей поверхности. Воспользоваться этим преимуществом при сушке большинства сельскохозяйственных продуктов невозможно по технологическим ограничениям. Для сохранения в высушенном продукте питательных веществ (витаминов, углеводов и др.) температурный режим сушки ограничивают, а это приводит к увеличению времени проведения процесса.

Важным достоинством сушки инфракрасными лучами является селективность (избирательность) нагрева. Лучи различной длины волны по-разному поглощаются материалами и проникают на некоторую глубину, вызывая глубинный прогрев продуктов. Сушку инфракрасными лучами экономически целесообразно комбинировать с конвективной сушкой. Энергия инфракрасных лучей расходуется на быстрый нагрев материала, а нагретый воздух – на удаление влаги. Комбинированные сушильные установки (по сравнению с конвективными) при прочих равных условиях в 2 раза производительнее.

Сушка токами высокой частоты (ТВЧ) является перспективным способом. Преимуществом является равномерное выделение тока во всем объеме влажного материала. Это дает возможность интенсифицировать процесс сушки. Возникающие в материале градиенты температуры и влажности совпадают по направлению. Температура и влажность внутренних слоев оказывается выше поверхностных и это ускоряет перемещение влаги в десятки раз. Воспользоваться в полной мере этим преимуществом при сушке большинства сельскохозяйственных продуктов не удается по технологическим ограничениям. Несоблюдение их может привести к растрескиванию и вспучиванию материала, ухудшению качественных показателей: семенных – потеря всхожести, энергии прорастания, силы роста; продовольственных – снижение качества клейковины, денатурации белков и т. п.

Сложность установок ТВЧи их низкий КПД является сдерживающим фактором для широкого применения в производстве. Но в некоторых случаях нагрев ТВЧ успешно используют: например, при дезинфекции зерна, пастеризации фруктового соков при консервировании.

Сублимационная сушка – это сушка влажных материалов при низкой температуре в условиях вакуума. Известно, что при низких температурах и нормальном атмосферном давлении процесс сушки происходит очень медленно. Уменьшение давления резко увеличивает интенсивность испарения. Вакуумная сушка происходит в герметически закрытом аппарате. При давлении меньшем 4,58 мм. рт. столба (давление насыщенного пара воды при температуре 0 0 С) влажный материал имеет температуру ниже 0 0 С. При этом свободная влага замерзает и ее испарение происходит без плавления. Связанная влага находится в переохлажденном состоянии и удаляется путем превращения жидкости в пар. Чтобы поддержать значительную интенсивность сушки в вакууме, тепло, необходимое для испарения жидкости, подводится к материалу путем теплопроводности от нагретой поверхности (контактная сушка) или радиацией от нагретых панелей (сушка инфракрасными лучами). Таким образом, сублимационная сушка включает следующие фазы: сублимация льда (сушка путем испарения льда); испарение переохлажденной жидкости внутри материала и испарение связанной жидкости при температуре выше 0 0 С.

Сублимационная сушка с точки зрения качества получаемого продукта является наиболее совершенной. Высушенные продукты сохраняют естественный цвет, питательные и вкусовые качества (опыты проводились на яблоках, малине, кусковой рыбе, мясном фарше). При увлажнении быстро восстанавливаются их объем и в значительной степени первоначальные свойства.

Следует иметь в виду, что установки сублимационной сушки по устройству довольно сложные. Они состоят из сушильной камеры, поглотителя влаги (конденсатора и абсорбера) и вакуум насосной установки. Стоимость сушки продуктов в таких установках достаточно высока.

2. Использование I - d диаграммы Л.К. Рамзина при расчете конвективных сушилок

С целью упрощения технических расчетов процесса сушки профессор Л.К. Рамзин в 1918 г. предложил диаграмму состояния влажного воздуха, которая построена с использованием следующих формул.

Влагосодержание - это масса водяного пара, приходящегося на 1кг абсолютно сухого воздуха:

где х - влагосодержание сушильного агента, кг/кг; ρп- плотность водяного пара, кг/м 3 ; ρв - плотность абсолютно сухого воздуха, кг/м 3 .

Степень насыщения воздуха парами воды можно определить по относительной влажности воздуха:

где φ - относительная влажность воздуха; Рп - парциальное давление паров воды в воздухе при данной температуре t, Па; Рн - давление насыщенного пара при той же температуре t, Па.

При температуре воздуха выше 100 0 С давление насыщенного пара равно барометрическому давлению (Рн = П).

Если φ = 0, то воздух абсолютно сухой. Если φ = 1, то воздух полностью насыщен парами воды и не может использоваться как сушильный агент.

Энтальпия (теплосодержание) влажного воздуха определяется количеством теплоты, приходящейся на 1 кг абсолютно сухого воздуха. Энтальпия выражается в виде суммы энтальпий абсолютно сухого воздуха и водяного пара:

где i - энтальпия влажного воздуха, кДж/кг; Cсв - удельная теплоёмкость сухого воздуха (Cсв=1,01 кДж./кг·К); Cп - удельная теплоемкость пара(Cп=1,97 кДж/кг·К); - удельная теплота парообразования воздуха при 0°С (r0=2493 кДж/кг).

После преобразований и подстановки численных значений формула для расчета энтальпии влажного воздуха будет иметь вид:

Диаграмма построена для барометрического давления П = 99,4 кПа.

Изображение действительного и теоретического процессов сушки (рис.1) строят по известным значениям t0 , х0 , t2 , х2 , иt1. Линия M0M1 изображает процесс нагревания воздуха в калорифере, M1M2 - действительный процесс сушки, M1M'2 - процесс в теоретической сушилке. Наклонная линия M1M'2 характеризует теоретический процесс в сушильной камере, который протекает при постоянной энтальпии i2 = const. Ее проводят из точки M1 по изоэнтальпии,которая проходит через эту точку до пересечения с изотермой t2.

Рис. 1. Схема построения процесса сушки на I - d диаграмме состояния влажного воздуха Л.К. Рамзина

С использованием диаграммы можно оценить эффективность сушильной установки.

Удельный расход сушильного агента (в килограммах сухого воздуха на килограмм испаренной влаги):

где x0 и x2 - влагосодержание сушильного агента на входе и выходе из сушильной установки соответственно (вкилограммах влаги на килограмм сухого воздуха); L - расход сухого воздуха, кг/с; W - массовый расход испаренной влаги, кг/с.

Удельный расход теплоты (в килоджоулях на килограмм испаренной влаги):

где i0 и i1 - соответственно энтальпии сушильного агента на входе в калорифер и в сушильную камеру.

3. Исследование характеристик конвективной сушки

3.1 Цель работы и задачи исследований

Целью работы является изучение методики расчета сушильных установок: аналитическая – с использованием уравнений материального и теплового балансов сушильной установки и графоаналитического – с использованием I – d диаграммы влажного воздуха (диаграмма Рамзина Л. К.)

Задачей исследования является экспериментальное определение энергетических характеристик сушильной установки: расход теплоты на сушку, потребляемая мощность электрокалорифера, расход сушильного агента для испарения влаги, тепловой КПД сушки по затраченной теплоте.

3.2 Описание лабораторной установки

Лабораторная установка состоит из компактной конвективной сушилки и комплекта измерительных приборов и оборудования. Принципиальная электрическая схема лабораторной установки показана на рис. 2.

Измерительные приборы размещены на лабораторном стенде, к которому с помощью разъема X подключена сушильная установка UZ. Потребляемую сушилкой мощность определяют с помощью амперметра и вольтметра (полную мощность) и вольтметра Р2 (активную мощность). Лабораторная установка оснащена весами ВЛТК – 500 для взвешивания высушиваемого материала, психрометром для измерения относительной влажности наружного воздуха и сушильного агента, термометром – для измерения температуры наружного воздуха, сушильного агента и высушиваемого материала.

Сушильная установка (рис.3) состоит из основания 1, кассетного блока 2 и крышки 3. В основании размещен электрический двигатель с вентилятором и нагревательный элемент. Установленная мощность составляет 300 Вт. Управление электровентилятором и нагревательным элементом осуществляется одновременно выключателем, расположенным на боковой поверхности основания. В верхней части основания имеется колпачковый воздухораспределитель. Через отверстия воздухораспределителя подогретый воздух (сушильный агент) нагнетается в кассетный блок 2.

Рис. 2 Принципиальная электрическая схема лабораторной установки

Кассетный блок располагается на основании и состоит из 5 цилиндрических пластмассовых кассет, устанавливаемых одна на другую. На перфорированное дно каждой кассеты укладывается высушиваемый материал. Предусмотрено 2 варианта установки кассет, которые обеспечивают межкассетный промежуток (толщину высушиваемого слоя материала) 125 мм и 250 мм.

Кассетный блок закрывается крышкой с тремя щелевыми отверстиями.

Сушильный агент проходит через кассетный блок, нагревает, высушивает материал и удаляется через щелевые отверстия в крышке.

Рис. 3. Сушильная установка

3.3 Методика выполнения работы

Влажный материал (зерно, горох, овощи, картофель) для выполнения опыта тщательно взвесить. Картофель и овощи необходимо предварительно нарезать тонкими (5…7 мм) дольками.

Материал загрузить в кассетный блок сушилки. Первоначально заполняют верхнюю кассету, располагая материал тонким слоем. Последовательно (сверху вниз) заполняют все кассеты.

Перед началом опыта в таблицу 1 записать значения температуры наружного воздуха, его относительной влажности и температуру материала.

Общие сведения о конвективных сушилках. Как было отмечено выше, в сельскохозяйственном производстве преобладает конвективный способ сушки. При всем многообразии конструкций конвективные сушилки работают во одному и тому же принципу: сушильный агент — нагретый в калорифере воздух или смесь воздуха с горячими топочными газами — поступает в сушильную камеру установки. Одновременно в нее подается влажный материал — продукт сушки. Направление движения сушильного агента относительно материала может быть прямоточным, противоточным и перекрестным. Агент сушки нагревает материал, поглощает из него определенное количество влаги и удаляется из сушильной камеры.
Большинство сушилок, кроме сушильной, оборудовано еще и охладительной камерой (зерносушилки — обязательно). В этом случае подсушенный материал поступает в охладительную камеру, где попадает в зону действия холодного атмосферного воздуха. Отдав часть влаги воздуху, просушенный и охлажденный материал выходит из сушилки.
Схема процесса конвективной сушки с указанием параметров агента сушки, воздуха и высушиваемого материала изображена на рисунке 97.
Тепловой расчет сушилки сводится к определению ее материального баланса, расхода агента сушки и расхода тепла.

Тепловой расчет конвективных сушилок


Материальный баланс сушилки. Испаренная из материала влага и количество влажного и просушенного продукта связаны между собой уравнением баланса сушки.
Введем обозначения G1 и G2 — количество материала, соответственно поступающего в сушильную камеру и выходящего из нее, кг/ч; Gc — масса абсолютно сухого вещества материала, кг/ч; w1 и w2 — влажность материала до и после сушильной камеры, %; W — количество испаренной влаги, кг/ч.
Количества влаги в материале до и после сушильной камеры

Тепловой расчет конвективных сушилок

Тепловой расчет конвективных сушилок

Тепловой расчет конвективных сушилок

Тепловой расчет конвективных сушилок


Расход сушильного агента. Процесс сушки есть процесс взаимодействия влажного воздуха (или газовоздушной смеси) с влажным материалом. Если нет утечек воздуха из сушильной каперы и поступлений в нее, общее количество влаги в материале и сушильном агенте до и после сушки остается без изменения:

Тепловой расчет конвективных сушилок

Тепловой расчет конвективных сушилок

Тепловой расчет конвективных сушилок

Тепловой расчет конвективных сушилок


При сушке воздухом, нагреваемым в калорифере, принимают d1=d0, потому что влагосодержанис его после калорифера остается таким же, как у наружного воздуха.
Если сушка ведется газовоздушной смесью, то влагосодержание смеси перед поступлением в сушильную камеру находят по формуле

Тепловой расчет конвективных сушилок

Тепловой расчет конвективных сушилок

Тепловой расчет конвективных сушилок

Тепловой расчет конвективных сушилок


В формулах (167. 170) Сp, Hp, Op, Sp, Aр и Wp — элементы, входящие в состав рабочего топлива, соответственно углерод, водород,кислород, сера (летучая), зола и влага, %.
Расход тепла на сушку. Вначале рассмотрим тепловой баланс так называемой теоретической сушилки, в которой все тепло сушильного агента расходуется на испарение влаги из материала, нет дополнительных поступлений тепла в камеру и отсутствуют теплопотери в окружающую среду. Процесс сушки в теоретической сушилке происходит при постоянной температуре материала, равной 0°С.
Тепловая энергия, вносимая в сушильную камеру агентом сушки, слагается из тепла Q0. поступившего с атмосферным воздухом, и тепла Qн.у, полученного в нагревательном устройстве (топке или калорифере).
Тепло, поступающее с воздухом (кДж/ч),

Тепловой расчет конвективных сушилок

Тепловой расчет конвективных сушилок

Тепловой расчет конвективных сушилок

Тепловой расчет конвективных сушилок


Управление (174) показывает, что количество тепла, поступающего в сушилку (LI1), равно количеству тепла, уходящего с отработавшим сушильным агентом (LI2). Энтальпия сушильного агента на входе и выходе из сушильной камеры одинакова (I1=I2), так как процесс сушки протекает при I=const. Это объясняется тем, что тепловая энергия агента сушки, расходуемая на испарение влаги из высушиваемого материала, немедленно возвращается сушильному агенту вместе с влагой в виде скрытой теплоты парообразования.
Часовой расход тепла (кДж/ч) в теоретической сушилке находят по формуле (173), то есть Q=Qну.
Удельный расход тепла q (кДж/кг испаренной влаги)

Тепловой расчет конвективных сушилок


В действительной сушилке не все тепло агента сушки идет на испарение влаги, часть тепла Qм (кДж/ч) расходуется на нагрев самого высушиваемого материала:

Тепловой расчет конвективных сушилок

Тепловой расчет конвективных сушилок


В некоторых конструкциях сушилок предусматриваются дополнительные подогреватели, устанавливаемые непосредственно в сушильной камере н дающие добавочное тепло Qд.
С учетом отличий действительной сушилки от теоретической уравнение теплового баланса сушильной камеры (для случая, когда θ1>0°С) можно представить в следующем виде:

Тепловой расчет конвективных сушилок


Левая часть уравнения (178) представляет собой все тепло, приходящее в сушильную камеру: с наружным воздухом, от нагревательного устройства, с испарившейся из материала влагой, от добавочного подогревателя, правая часть — суммарный расход тепла: с отработавшим сушильным агентом, с нагретым материалом, выходящим из сушильной камеры, и расход в окружающую среду в результате теплопередачи через ограждения сушильной камеры.
Отсюда расход тепла на сушку (кДж/ч), равный количеству тепла, потраченного на подогрев сушильного агента в нагревательном устройстве,

Тепловой расчет конвективных сушилок

Тепловой расчет конвективных сушилок


Рабочий процесс теоретической сушилки в I—d-диаграмме (рис. 98). Атмосферный воздух с начальными параметрами to, φо, Iо. соответствующими точке А, подогревается в калорифере до температуры t1. Процесс нагрева характеризуется линией АВ при влагосодержании d0=const. Процесс сушки происходит при постоянной энтальпии в соответствии с линией ВС. Положение точки С определяется пересечением линии I1=I2=const с изотермой t2 или линией φ2=const (в зависимости от того, какой параметр отработавшего агента сушки известей: t2 или φ2). Точке С соответствует влагосодержание d2.

Тепловой расчет конвективных сушилок


При сушке газовоздушной смесью рабочий процесс сушилки будет совершаться в соответствии с графиком AB1C. В топке происходит увеличение влагосодержания сушильного агента от d0 до d1. Процесс нагревания характеризуется в этом случае наклонной линией AВ1. Точка B1, имеет координаты: I1 и d1. Значение d1 подсчитывают по формуле (167).
Удельный расход сушильного агента, согласно формуле (166),

Тепловой расчет конвективных сушилок

Тепловой расчет конвективных сушилок


Разность влагосодержаний d2—d1 или d2—d0 на диаграмме изображают соответственно отрезками CD1 или CD.
Таким образом,

Тепловой расчет конвективных сушилок

Тепловой расчет конвективных сушилок

Тепловой расчет конвективных сушилок


Рабочий процесс действительной сушилки в I—d-диаграмме (рис. 99). В действительной сушильной установке разность между добавлениями и потерями тепла в сушильной камере

Тепловой расчет конвективных сушилок


Для подавляющего большинства сушилок qд=0, а суммарные потери (qм+qп) значительно превышают значение cвθ1 и поэтому

Тепловой расчет конвективных сушилок


Процесс нагрева воздуха протекает аналогично тому, как это было в теоретической сушилке При d0=соnst по линии АВ до температуры t1 в точке В. Прямая ВС соответствует процессу сушки в теоретической сушилке. Чтобы вычертить график процесса сушки в действительной сушильной установке, берут произвольную точку е на прямой ВС и подсчитывают длину вертикального отрезка еЕ по формуле

Тепловой расчет конвективных сушилок


Отрезок еЕ отрицателен, поэтому его откладывают вниз. Определив положение точки Е, проводят через нес прямую BE, продолжают се до пересечения с изотермой t2 и получают точку С', где влагосодержание d2'.
Удельный расход агента сушки (кг/кг испаренной влаги)

Основные способы подвода теплоты: конвективная, контактная, радиационная, сублимационная и диэлектрическая сушка. Принципиальная схема сушильной установки (СУ). Расчет СУ: материальный и тепловой баланс. Возможности интенсификации процессов сушки.

Рубрика Производство и технологии
Вид реферат
Язык русский
Дата добавления 29.05.2018
Размер файла 285,0 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

1. Сущность процесса сушки

1.1 Принципиальная схема сушильной установки

1.2 Расчет сушильной установки

1.2.1 Материальный баланс сушильной установки

1.2.2 Тепловой баланс сушильной установки

1.3 Возможности интенсификации процессов сушки

Введение

теплота сушильный диэлектрический конвективный

Удаление влаги из твердых и пастообразных материалов позволяет удешевить транспортировку, придать им необходимые свойства (например, уменьшить слеживаемость удобрений или улучшить растворимость красителей), а также уменьшить коррозию аппаратуры и трубопроводов при хранении или последующей обработке этих материалов.

Влагу можно удалять из материалов механическими способами (отжимом, отстаиванием, фильтрованием, центрифугированием). Однако более полное обезвоживание достигается путем испарения влаги и отвода образующихся паров, т. е. с помощью тепловой сушки.

Этот процесс широко используется в химической технологии. Он часто является последней операцией на производстве, предшествующей выпуску готового продукта. При этом предварительное удаление влаги обычно осуществляется более дешевыми механическими способами (например, фильтрованием), а окончательное - сушкой. Такой комбинированный способ удаления влаги позволяет повысить экономичность процесса.

В химических производствах, как правило, применяется искусственная сушка материалов в специальных сушильных установках, так как естественная сушка на открытом воздухе - процесс слишком длительный.

Процесс сушки характеризуется рядом параметров: качеством и количеством сырья и готового продукта, температурой и относительной влажностью среды, временем пребывания продукта в сушилке и др.

Основным параметром, определяющим процесс сушки, является конечная влажность продукта. Однако в настоящее время промышленных влагомеров, работающих в потоке, мало, поэтому для правильного ведения процесса сушки в качестве регулируемых используются косвенные параметры: температура сушильного агента, выходящего из сушилки, температура высушенного продукта; регулирующим воздействием является количество подводимого тепла.

1. Сущность процесса сушки

Сушка - это процесс удаления влаги из твердого или пастообразного материала путем испарения содержащейся в нем жидкости за счет подведенного к материалу тепла.

При сушке обычно удаляется из продукта жидкий компонент, которым в большинстве случаев является вода, однако часто приходится удалять и органические растворители. При сушке изменяется теплопроводность материала, снижается его объемный вес и повышается прочность. Чем выше качество материала, тем больше возможность его использования. Это может быть обеспечено при соответствующем режиме процесса сушки, который должен проводиться при определенных температуре, давлении и относительной влажности теплоносителя. Режим сушки зависит от свойств высушиваемого материала.

Сушка широко применяется в химической, химико-фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности.

По своей физической сущности сушка является сложным диффузионным процессом, скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду. Удаление влаги при сушке сводится к перемещению тепла и вещества (влаги) внутри материала и их переносу с поверхности материала в окружающую среду. Таким образом, процесс сушки является сочетанием связанных друг с другом процессов тепло- и массообмена (влагообмена).

Различают следующие способы подвода теплоты:

конвективную сушку, проводимую путем непосредственного контакта материала и сушильного агента. Подвод теплоты осуществляется газовой фазой (воздух или смесь воздуха с продуктами сгорания топлива), которая в процессе сушки охлаждается с увеличением своего влагосодержания;

контактную (кондуктивную) сушку, которая реализуется путем передачи теплоты от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку;

радиационную сушку, при которой тепло передается тонкому слою материала, либо поверхности его, покрытой лаками или красками, от электрических или газовых инфракрасных излучателей. Сушка протекает интенсивно. Сушилки отличаются малой инерционностью;

сублимационную сушку, при которой влага удаляется из материала в замороженном состоянии (обычно в вакууме). Чаще применяется в пищевой, чем в химической промышленности, с целью сохранения объёма, цвета, запаха, вкусовых и биологических свойств материала. Оборудование для этого метода сушки отличается сложностью;

диэлектрическую сушку, при которой материал высушивается в поле токов высокой частоты. Применяется для сушки древесины, пенопласта, искусственного волокна и т.д. Этот метод сушки отличается дороговизной.

1.1 Принципиальная схема сушильной установки

Принципиальная схема сушильной установки представлена на рис. 1.1

Высушиваемый материал поступает в сушилку 3, где его влажность снижается от щ1 (начальная) до щ2 (конечная). В сушилке материал либо находится в неподвижном состоянии (на противнях, вагонетках), либо движется (на транспортерных лентах, сетках, при помощи гребков, пересыпается при вращении сушилки). Сушка производится за счет тепла, вырабатываемого в генераторе тепла 2, куда теплоноситель может подаваться вентилятором 1. Генератором тепла могут служить паровые или газовые калориферы, топки, работающие на твердом, жидком или газообразном топливе, инфракрасные излучатели и генераторы электрического тока. Выбор генератора тепла обычно определяется схемой и методом сушки, физическими свойствами высушиваемого материала и требуемым режимом сушки. Иногда в сушильной камере устанавливается дополнительный подогреватель 2'.

Рисунок 1.1- Принципиальная схема сушильной установки

1- вентилятор; 2 - генератор тепла; 3 - сушилка; 4 - пылеулавливающее устройство; 5 - отсасывающее устройство.

Передача тепла высушиваемому материалу производится либо при непосредственном контакте последнего с теплоносителем, либо через обогреваемую поверхность, на которой находится материал. Поверхность теплообмена может обогреваться паром, дымовыми газами, горячей водой. Непосредственно материалу тепло передается либо от воздуха и дымовых газов, омывающих высушиваемый материал, либо от инертных газов и перегретого пара. Последний вид теплоносителя не получил широкого распространения в химической промышленности из-за сложности создания таких сушилок непрерывного действия. Тепло может передаваться материалу также от радиационных источников нагрева (при сушке тонких материалов), либо при помощи тока высокой или промышленной частоты (при сушке материалов сравнительно большой толщины).

Пары растворителя, выделяющиеся из материала, удаляются из сушилки при помощи отсасывающего устройства 5, которое представляет собой либо вентилятор в случае сушки воздухом или газом, либо конденсатор с вакуум-насосом, если необходимо создать вакуум в сушилке. При сушке воздухом и газами с отработанным теплоносителем уносится какое-то количество мелких частиц высушиваемого продукта. Для очистки газа, что необходимо как из санитарных, так и из экономических соображений, в сушильную установку входит пылеулавливающее устройство 4, представляющее собой циклон, скруббер либо рукавный фильтр.

1.2 Расчет сушильной установки

1.2.1 Материальный баланс сушильной установки

Обычно задается годовая производительность сушилки по готовому продукту. Тогда часовая производительность сушилки будет G2 (в кг/ч):

где G-годовая производительность по готовому продукту, кг ; a - число часов работы сушилки в сутки; b - число рабочих дней в году; величины a и b зависят от характера производства; обычно для непрерывнодействующих производств принимают a = 22ч. b = 330 сут, иногда принимают 7000-8000 рабочих часов в году.

Если в процессе сушки происходят безвозвратные потери материала, часовую производительность рассчитывают с учетом этой поправки:

где k - коэффициент, учитывающий выход продукта; он должен составлять 0,95 - 0,99.

Количество удаляемой влаги W(b кг/ч) определяют из уравнения материального баланса

где w1 и w2 - начальная и конечная влажность материала, масс. доли.

Тогда производительность сушилки по исходному материалу составит (в кг/ч)

В процессе сушки масса абсолютного сухого вещества (G c) не изменяется, если нет уноса его частиц или других потерь, т.е. (в кг/ч):

G c = G1 (1-w1) = G2(1-w2)

При этом влагосодержания материала будут:

1.2.2 Тепловой баланс сушильной установки

Для испарения влаги и проведения совместно с сушкой других термических процессов к материалу необходимо подвести тепло. Его можно подводить различными способами в зависимости от способа сушки. Если на основании опытных данных известен режим процесса, то из теплового баланса можно определить расход тепла на сушку и расход соответственно топлива, электроэнергии, пара.

Суммарный расход теплоты в сушилке

УQ = Qисп + Qм + Qп + Qг + Qд + Qт

где Qисп , Qм - расход теплоты соответственно на испарение влаги и нагревание материала; Qп и Qг - потери теплоты соответственно в окружающую среду и с отходящими газами; Qд -расход теплоты на дегидратацию, разрушение энергии связи с материалом и другие эндотермические процессы; Qт - расход теплоты на нагревание дополнительно вводимых сред (пара, сжатого воздуха и транспортных средств.

Для непрерывнодействующих сушилок рассчитывают часовой расход теплоты, для сушилок периодического действия - расход теплоты на один цикл сушки. Расход теплоты (в кДж/ч) на испарение жидкости

на испарение воды

Qисп = 4,19 W(595 + 0,49tг - ?1)

где Hп - энтальпия перегретого пара жидкости при температуре отходящих газов; Hж - энтальпия жидкости при начальной температуре материала; tг - температура отходящих газов, К; ?1 - начальная температура материала, К.

Расход теплоты на нагревание высушенного материала(в кДж/ч):

где ?2 - температура материала, уходящего из сушильной камеры, К; см теплоемкость высушенного материала, кДж/(кг · К).

см = сс (1 -w2) + w2с2,

где сс - теплоемкость абсолютно сухого материала, кДж/(кг · К).

Потери теплоты сушилкой в окружающую среду (в кДж/ч):

где K - коэффициент теплопередачи через стенку сушилки; Fп.с - наружная поверхность сушилки; t' - средняя температура в сушилке, К; t0 - температура окружающей среды, К.

Теплоизоляцию сушилки подбирают с учетом того, чтобы температура наружной стенки не превышала 40--50 °С (313-323 К). До определения максимальной поверхности сушилки можно приближенно принять удельные потери теплоты в окружающую среду qп = 125 ч 420 кДж на 1 кг испаренной влаги в зависимости от влажности материала (меньшую величину принимают для высоковлажных материалов).

Потери теплоты с отходящими газами составят

где Н2-энтальпия отходящих газов.

При расчете сушилок часто приходится учитывать дополнительное количество воздуха Lдоп, который поступает в сушилку через загрузочное отверстие и другие неплотности. Обычно принимают

Расход теплоты на дегидратацию и другие эндотермические процессы (в кДж/ч)

где q'д -средняя удельная теплота дегидратации, отнесенная к 1 кг готового (сухого) продукта.

1.3 Возможности интенсификации процессов сушки

В связи с ростом производства различных химических продуктов, повышением требований к их качеству, совершенствованием технологии производства появляется необходимость в разработке новых способов сушки, обеспечивающих высокое качество продукта, максимальную автоматизацию, механизацию и значительную интенсификацию процесса.

Условная удельная интенсивность процесса (например, съем влаги с 1 м3 любого аппарата) зависит от концентрации материала, точнее - от активной поверхности тепло- и массообмена материала в единице объема, от максимально допустимых потенциалов переноса теплоты и массы и от гидродинамической (аэродинамической) обстановки.

Например, при двух различных способах сушки удельная интенсивность испарения может быть одинаковой, если в первом случае поддерживается более высокая концентрация материала, а во втором - более высокие температуры газовой фазы. Анализируя с этой точки зрения каждый сушильный аппарат, можно выявить возможность максимальной интенсификации процесса в нем и соответственно его перспективность для использования в промышленности.

Для интенсификации процессов сушки и повышения экономической эффективности работы аппаратов могут быть выбраны следующие пути:

использование более высоких начальных температур теплоносителя в условиях автоматизированных контроля и регулирования температуры. С повышением температуры теплоносителя резко сокращается длительность сушки, в результате материал сохраняет свои качественные показатели. При этом уменьшаются удельные расходы топлива и электроэнергии;

использование больших локальных скоростей (сопловая сушка), пульсирующих газовых потоков и вибрации частиц материала, закрученных высокоскоростных потоков (вихревая сушка) и т.д.;

применение электрических и магнитных полей;

применение перегретых паров испаряемой из материала жидкости в качестве теплоносителя (водяные пары, пары органических растворителей - тетрахлорид углерода, хлорбензол и т.д.);

применение комбинированных способов сушки и совмещение различных процессов в одном аппарате;

использование вторичных энергетических и тепловых ресурсов производства (тепло отходящих газов, а также котельных, сушилок и других термических установок).

Подобные документы

Расчет горения топлива и начальных параметров теплоносителя. Построение теоретического и действительного процессов сушки на I-d диаграмме. Материальный баланс и производительность сушильного барабана для сушки сыпучих материалов топочными газами.

курсовая работа [106,3 K], добавлен 03.04.2015

Тепловой расчет барабанного сушила, его производительность и расчет начальных параметров. Построение теоретического процесса сушки, тепловой баланс. Расход воздуха и объем отходящих газов, аэродинамический расчет. Материальный баланс процесса сушки.

курсовая работа [664,3 K], добавлен 27.04.2013

Сушка - технологический процесс, используемый в химической, фармацевтической и пищевой промышленности. Основные виды сушки. Распылительная сублимационная сушка. Эффективность применения вакуума при сушке сублимацией. Определение эвтектических температур.

курсовая работа [4,0 M], добавлен 23.02.2011

Принципиальная технологическая схема сушильной установки. Построение рабочей линии процесса сушки. Расчет газовой горелки, бункера-питателя, ленточного и винтового транспортера, шлюзового дозатора, вентилятора дымососа. Расчет тепловой изоляции установки.

курсовая работа [1,9 M], добавлен 13.01.2015

Сущность процесса сушки. Расчет сушильной установки. Аппаратное обеспечение процесса сушки. Технологические основы регулирования сушилок с кипящим слоем. Определение момента окончания сушки по разности температур. Автоматизация сушильных установок.

Читайте также: