ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №12КОНСТРУКЦИИ СУШИЛОК Цель работы: Изучение конструкций сушилок. Порядок выполнения работы: 1. Внимательно изучить основные конструкции сушилок. 2. Подготовить краткое описание содержания работы. 3. Ответить на контрольные вопросы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Сушкой называют процесс удаления влаги из твердых влажных, пастообразных или жидких материалов (суспензий) путем ее испарения и отвода образовавшихся паров. Это сложный тепломассообменный процесс. Скорость его во многих случаях определяется скоростью внутридиффузионного переноса влаги в твердом теле. Сушке подвергают пищевые материалы, находящиеся в различном и агрегатном состоянии, а именно: гранулированные, формованные и зернистые материалы; пастообразные материалы; растворы и суспензии. Сушилки, применяемые в пищевой промышленности, отличаются разнообразием конструкций и подразделяются по способу подвода теплоты (конвективные, контактные и др.); по виду используемого теплоносителя (воздух, газ, пар, топочные газы); по величине давления в сушилке (атмосферные и вакуумные); по способу организации процесса (периодического или непрерывного действия); по схеме взаимодействия потоков (прямоточные, противоточные, перекрестного и смешанного тока). Конвективные сушилки, среди которых простейшими являются камерные (рис. 1), представляют собой корпус, внутри которого находятся вагонетки. На полках вагонеток помещается влажный материал. Теплоноситель нагнетается в сушилку вентилятором, нагревается в калорифере и проходит над поверхностью высушиваемого материала или пронизывает слой материала снизу вверх. Часть отработанного воздуха смешивается со свежим воздухом. Эти сушилки периодического действия работают при атмосферном давлении. Их применяют в малотоннажных производствах для сушки материалов при невысоких температурах в мягких условиях. Камерные сушилки имеют низкую производительность и отличаются неравномерностью сушки продукта. Туннельные сушилки (рис. 2) используют для сушки сухарей, овощей, фруктов, макарон и других продуктов. По организации процесса эти сушилки относятся к сушилкам непрерывного действия. Сушилки представляют собой удлиненный прямоугольный корпус, в котором перемещаются по рельсам тележки с высушиваемым материалом, расположенным на полках тележек. При этом время пребывания тележек в сушильной камере равняется продолжительности сушки. Сушка материала достигается за один проход тележек. Свежий воздух засасывается вентилятором и поступает, нагреваясь в калориферах, в сушилку. Перемещение тележек происходит с помощью толкателя. Сушилка имеет самоотворяющиеся двери. Горячий воздух взаимодействует в сушилке с материалом в прямотоке либо в противотоке. В ряде случаев в туннельных сушилках возможно осуществить рециркуляцию воздуха и его промежуточный подогрев в сушильной камере. Калориферы и вентиляторы устанавливают на крыше сушилки, сбоку или в туннеле пол сушилкой. Отработанный воздух из сушилки выбрасывается через газоход.
Рис. 1 Камерная сушилка: 1 — корпус; 2— вагонетка; З— калориферы; 4 — вентилятор; 5 — шибер
Рис.2 Туннельная сушилка: 1 — двери; 2 — газоход; З — вентилятор; 4 — калорифер; 5 — корпус; б — тележки с материалом Ленточные многоярусные конвейерные сушилки применяют для сушки макаронных изделий, сухарей, фруктов, овощей, крахмала и др. Влажный материал загружается через верхний загрузочный бункер, кик показано на рис. 3, или боковой и поступает на верхний перфорированный, ленточный конвейер, на котором перемешается вдоль сушильной камеры, и затем пересыпается на нижерасположенный конвейер. С нижнего конвейера высушенный материал поступает в разгрузочный бункер или на приемный конвейер. Пересыпание материала с ленты на ленту способствует его перемешиванию, что, в свою очередь, увеличивает скорость сушки. Чтобы материал направленно пересыпался с вышерасположенного конвейера на нижерасположенный устанавливают направляющие лотки. Воздух нагнетается вентилятором, проходит через, калорифер и направляется в сушильную камеру, где пронизывает слой материала на каждой перфорированной ленте. Для промежуточного подогрева воздуха под лентами каждого конвейера находится калорифер, выполненный из оребренных труб.
Рис. 3 Ленточная сушилка: 1 — корпус; 2 — ленточный конвейер; З— ведущие барабаны; 4— ведомые барабаны; 5— калориферы; б — бункер с загрузочным устройством Ленточные сушилки бывают прямоточными и противоточными. В таких сушилках может быть предусмотрена рециркуляция воздуха. благодаря промежуточному подогреву и рециркуляции воздуха в ленточных сушилках достигаются мягкие условия сушки. Шахтные сушилки с движущимся слоем (рис. 4) применяют дня сушки зерновых сыпучих материалов. По оси сушилки расположены трубы для подачи, теплоносителя. Трубы оканчиваются жалюзями для равномерного распределения теплоносителя по сечению сушилки. Система подвода и циркуляции теплоносителя разделяет объем сушилки на две зоны. В первой зоне используется теплота теплоносителя, выходящего из второй зоны. В первой зоне удаляется в основном поверхностная влага, во второй — внутренняя. Предварительно теплоноситель, поступающий во вторую зону, может осушаться в конденсаторе второй зоны. В верхней части сушилки оба потока объединяются и подаются газодувкой после подогрева в калорифере в первую зону сушилки. Выгрузка высушенного материала осуществляется непрерывно полочным дозатором. Сушилки с псевдоожиженным слоем являются аппаратами непрерывного действия и применяются как для удаления поверхностной и слабосвязанной влаги, так и для удаления связанной и из мелкозернистых и зерновых материалов. Сушилки с псевдоожиженным слоем изготовляют вертикальными и горизонтальными с одной или несколькими секциями. Схема односекционной сушилки предстанет на рис. 5.
Рис. 4 Шахтная сушильная установка для сушки зерновых материалов: материалов: 1 — бункер-холодильник; 2 — промежуточный бункер; З — газодувки; 4 — калориферы; 5 — бункер; б—шахта; 7—трубы для подвода теплоносителя; 8— холодильник-конденсатор; 9— жалюзи; 10— дозатор; 11 — холодильник
Рис. 5 Односекционная сушилка с псевдоожиженым слоем: сушилка 1 — вентилятор; 2 — калорифер; З — бункер; 4 — шнек; 5 — циклон; б — корпус сушилки; 7— выгрузной патрубок; 8— газораспределительная решетка; 9 — конвейер. Влажный материал непрерывно подается в сушилку. Теплоноситель, нагнетаемый вентилятором, нагревается в калорифере и поступает в сушилку под газораспределительную решетку. Сушка материала происходит в зоне сушилки, примыкающей к газораспределительной решетке. Высушенный материал удаляется из сушилки через патрубок. Отходящие из сушилки газы очищаются от пыли в циклоне и выбрасываются в атмосферу. Недостаток односекционных сушилок — неравномерность сушки материала. для повышения равномерности сушки применяют многосекционные сушилки. Секционирование аппаратов достигается делением с помощью перегородок всего объема аппарата, а значит, и слоя материала на ряд горизонтальных секций вертикальными перегородками пли на вертикальные секции горизонтальными перфорированными перегородками. Вибросушилки применяют для сушки плохоожижаемых материалов: влажных тонкодисперсных, полидисперсных, комкующихся и т. д., которых в промышленности большинство. Воздействие на слой дисперсного материала низкочастотных колебаний интенсифицирует тепломассообменные процессы в слое и открывает широкие возможности для создания высокоэффективных сушилок перекрестного тока, приближающихся по полю распределения температур и концентраций к аппаратам идеального вытеснения. Виброаэропсевдоожиженный (виброкипящий) слой может быть создан в аппаратах разнообразных конструкций: вертикальных, горизонтальных и лотковых. Наибольшее применение нашли лотковые сушилки, наклоненные под небольшим углом к горизонту (рис 6). Привод сушилки состоит из маятникового двигателя — вибратора направленного действия с регулируемым балансом. Наибольшее практическое значение для проведения тепломассообменных процессов имеет виброаэропсевдоожиженный слой, образуемый одновременно потоком газа через слой и низкочастотной вибрацией. Вибрационные сушилки используют дня сушки картофельной крупки на картофелеперерабатывающих заводах.
Рис. 6 Вибросушка: 1 — амортизатор; 2 — пружина; З — выгрузочный люк; 4— вибратор: 5—двигатель; б— газораспределительная решетка; 7— желоб: 8— смотровое окно Барабанные сушилки применяют для сушки свекловичного жома, зерно-картофельной барды, кукурузных ростков и мезги, зерна и сахара-песка. Сушка в барабанных сушилках происходит при атмосферном давлении. Теплоносителем являются воздух либо топочные газы. Барабанные сушилки (рис. 7) имеют цилиндрический полый горизонтальный барабан, установленный под небольшим углом к горизонту. Барабан снабжен бандажами, каждый из которых катится по двум опорным роликам и фиксируется упорными роликами.
Рис. 7 Барабанная сушка: 1 — топка; 2 — бункер; З — барабан; 4 — бандажи; 5 — зубчатое колесо; б — вентилятор; 7 — циклон; 8— приемный бункер; 9 — шлюзовой питатель; 10 — опорные ролики Барабан приводится во вращение от электропривода с помощью насаженного на барабан зубчатого колеса. Частота вращения барабана не превышает 5...8 мин-1. Влажный материал поступает в сушилку через питатель. При вращении барабана высушиваемый материал пересыпается и движется к разгрузочному отверстию. За время пребывания в барабане материал высушивается при взаимодействии с теплоносителем — в данном случае с топочными газами, которые поступают в барабан из топки. Для улучшения контакта материала с сушильным агентом в барабане устанавливают внутреннюю насадку, которая при вращении барабана способствует перемешиванию материала и улучшает обтекание его сушильным агентом. Тип насадки выбирают в зависимости от свойств материала. На рис.8 показаны некоторые типы внутренних насадок.
Рис. 8 Внутренние распределительные насадки барабанов: а — подъемно-лопастная: 6— распределительная (полочная); в — перевалочная (ячейковая) Подъемно-лопастную насадку используют для сушки крупнокусковых и склонных к налипанию материалов. Для сушки мелкокусковых, сыпучих материалов применяют распределительную насадку. Пылящие, тонкодисперсные материалы сушат в барабанах, снабженных, перевалочной (ячейковой) насадкой. Газы и материал могут двигаться прямотоком и противотоком. При прямотоке удается избежать перегрева материала, так как при этом горячие газы взаимодействуют с материалом с высокой влажностью. Чтобы исключить большой унос пыли, газы просасываются через барабан вентилятором со скоростью 2... 3 м/с. Перед выбросом в атмосферу отработанные газы очищаются в циклоне. Вальцовые сушилки (рис. 9) предназначены для сушки жидких и пастообразных материалов: всевозможных паст, кормовых дрожжей и других материалов.
Рис. 9 Вальцовая сушилка: 1 — досушиватель; 2 — корпус; З — привод; 4 — ведущий валец; 5 — сифонная трубка; б — нож; 7— ведомый валец Греющий пар поступает в вальцы, вращающиеся навстречу друг другу с частотой 2...10 мин-1, через полую цапфу, а конденсат выводится через сифонную трубу. Материал загружается сверху между вальцами и покрывает их тонкой пленкой, толщина которой определяется регулируемым зазором между вальцами. Высушивание материала происходит в тонком слое за полный оборот вальцов. Подсушенный материал снимается ножами вдоль образующей каждого вальца. В случае необходимости досушки материала вальцовую сушилку снабжают гребковыми досушивателями. Распылительные сушилки предназначены для сушки растворов суспензий и пастообразных материалов. Сушкой распылением получают сухое молоко, молочно-овощные концентраты, пищевые и кормовые дрожжи, яичный порошок и другие продукты. Распылительные сушилки представляют собой в большинстве случаев коническо-цилиндрические аппарат, в котором происходит диспергирование материала при помощи специальных диспергаторов в поток теплоносителя. В качестве диспергаторов применяют центробежные распылители, пневматические и механические форсунки. При непосредственном контакте теплоносителя — воздуха с распыленным материалом почти мгновенно протекает тепломассообменный процесс. Продолжительность пребывания материала в сушилке не превышает 50 с. Преимущество распылительных сушилок — возможность использования теплоносителей с высокой температурой даже для сушки термолабильных материалов. Однако распылительные сушилки имеют сравнительно небольшой удельный съем влаги в пределах до 20 кг/м3 большой расход теплоносителя и, как следствие, значительную материало- и энергоемкость. При механическом методе распыления используются форсунки (рис. 10), в которые жидкость подается при давлении 2, 5...20 МПа. Качество распыления зависит от степени турбулентности струи, выходящей из сопла форсунки. Для создания турбулентности в форсунке имеется насадка с тангенциальными канавками для закручивания потока. Распад струй на капли вызван асимметричными и волнообразными колебаниями внутри струн, возникающими в результате турбулентности, взаимодействия газа и струи жидкости и влияния сил поверхностного натяжения. Размер капель зависит от конструкции форсунки, скорости истечения жидкости из форсунки и физических свойств жидкости и газа. Диаметр капель уменьшается при увеличении давления в форсунке, снижении вязкости и поверхностного натяжения жидкости, а также при уменьшении диаметра отверстия сопла форсунки.
Рис. 10 Центробежная механическая форсунка: 1 — патрубок для подвода продукта; 2 — корпус; З — завихритель; 4 — сопло Механические форсунки делятся на струйные и центробежные. Механические форсунки применяют в основном для грубого и тонкого распыления раствора. Для этих форсунок характерна сложность регулирования производительности, но они просты по конструкции и имеют низкие энергозатраты при эксплуатации. В пневматических форсунках распыление происходит скоростной струей газа или пара, который подается под давлением 0, 1...0, 6 МПа. Такими форсунками распыляют растворы, пасты, эмульсии, мелкодисперсные суспензии. Широкое распространение получило распыление центробежными дисками, вращающимися с частотой до 40 000 мин-1, в поток теплоносителя. На рис. 11 представлены две конструкции распылительных дисков. Выброс жидкости из диска, в котором она приобретает вращательное движение, происходит через каналы, образованные лопатками, либо через форсунки и сопла.
Рис. 11 Распылительные диски: а — 4-лопастный; б — 24-лопастный С увеличением числа каналов возрастает производительность сушилки. Диски различаются диаметром и шириной канала. Использование сопловых дисков может приводить к наростам влажного материала на стенках сушилки. Расстояние полета частицы зависит от диаметра капель, их скорости на выходе из диска, физических свойств раствора и теплоносителя, от расхода теплоносителя и раствора, схемы взаимодействия потоков. Центробежное распыление суспензий имеет ряд преимуществ, а именно: позволяет распылять суспензии с широким распределением частиц по размерам, при этом качество распыления не зависит от расхода суспензии. Существенные особенности конструкции распылительных сушилок — число и способ установки распылителей, места ввода и вывода теплоносителя. По схемам взаимодействия потоков тепло носителя и материала сушилки бывают прямоточными, противоточными и со сложным взаимодействием потоков. Сушилки с центробежными распылителями работают в большинстве случаев по прямоточной схеме. Процесс характеризуется интенсивными радиальными потоками газа и материала от диска к стенкам камеры. Если диск расположен недалеко от потолка, то может иметь место отложение продукта на стенке потолка. Для предотвращения образовании наростов в зону между потолком и факелом подводится теплоноситель. Наиболее эффективно работает сушилка, когда теплоноситель подводится к корню факела распыла. При этом тепломассообмен намекает на горизонтальном участке от факела до стенки камеры. Для подвода теплоносителя используют газовые диспергаторы. Часто распылительные сушилки работают в комплекте с сушилками с псевдоожиженным или виброаэропсевдоожиженным слоем, которые применяются как вторая ступень сушки для удаления связанной влаги. Двухступенчатая сушильная установка, первая ступень которой — распылительная сушилка, а вторая —сушилка с псевдоожиженным слоем, представлена на рис. 12.
Рис. 12 Схема двухступенчатой сушильной установки: 1 — насос; 2 — распылительная сушилка; З — теплообменник; 4 — ленточный фильтр; 5 — циклоны; б — сушилка с псевдоожиженым слоем Высушиваемый материал подается насосом в распылительную сушилку с центробежным распылителем. Подсушенный твердый материал из конической части сушилки подается секторным дозатором а сушилку с псевдоожиженным слоем на досушку. Выходящий из сушилок воздух очищается в циклонах и мешочном фильтре и либо выбрасывается в атмосферу, либо нагревается в теплообменнике и вновь поступает в распылительную сушилку. Отделенная в циклонах пыль может подаваться в сушилку с псевдоожиженным слоем. Сушильная установка с разбрызгивающим диском, предназначенная для сушки пастообразных продуктом, например отфильтрованных осадков, показана на рис. 13. Влажный материал сгружается в коническую часть сушилки шнековым дозатором. Материал перемешивается в конической части сушилки рамной мешалкой и попадает на разбрызгивающий диск, который отбрасывает материал к стенкам сушилки. Горячий газ подается в нижнюю часть конуса под разбрызгивающий диск и через кольцевую щель, образуемую диском и корпусом, поступает в сушилку, формируя псевдоожиженный слой в конической части сушилки. По мере высыхания частицы материала выносятся из сушилки и улавливаются в циклоне.
Рис. 13 Схема сушилки для сушки пастообразных материалов: 1 — перемешивающее устройство; 2 — распределительный диск; З — калорифер; 4 — электродвигатель; 5 — загрузочный бункер; б — сушилка; 7 — вентилятор; 8 — циклон; 9 — шлюзовой дозатор Такие сушилки используют в агрегатах с распылительной сушилкой или самостоятельно. Разработаны схемы с замкнутым контуром для сушки материалов, окисляющихся кислородом воздуха, а также для сушки взрывоопасных материалов. Сублимационные сушилки применяют для сушки ценных пищевых продуктов, когда к высушенному продукту предъявляют высокие требования в отношении сохранения его биологических свойств при длительном хранении, например мяса в замороженном состоянии, овощей, фруктов и других продуктов. Сублимационную сушку проводят в глубоком вакууме при остаточном давлении 133, 3 …13, 3 па (1, 0…0, 1 мм рт. ст.) и при низких температурах. При сублимационной сушке замороженных продуктов находящаяся в них влага в виде льда переходит непосредственно в пар, минуя жидкое состояние. Перенос влаги в виде пара от поверхности испарения происходит путем эффузии, т.е. свободного движения молекул пара без взаимных столкновений друг с другом. Сублимационная сушилка (рис. 14) состоит из сушильной камеры (сублиматора), в которой расположены пустотелые плиты, и конденсатора - вымораживателя.
Рис. 14 Сублимационная сушилка: 1 — сушильная камера; 2 — плита; З — противень; 4— конденсатор-вымораживатель В плитах циркулирует горячая вода. Высушиваемый материал в противнях размещается на плитах. Противни имеют специальные бортики, которые обеспечивают воздушную прослойку между плитами и противнями. Теплота от плит к противням передается за счет радиации. Образовавшаяся при сушке паровоздушная смесь из сублиматора поступает в конденсатор-вымораживатель — кожухотрубный теплообменник, в межтрубном пространстве которого циркулирует хладагент — аммиак. Конденсатор-вымораживатель включают в циркуляционный контур с испарителем аммиачной холодильной установки и соединяют с вакуумнасосом, предназначенным для отсасывания несконденсировавшихся газов. В трубах конденсатора происходят конденсация и вымораживание водяных паров. Обычно сублимационные сушилки имеют два попеременно работающих конденсатора: в то время как в одном конденсаторе происходят конденсация и замораживание, другой размораживается для удаления льда. Влагу удаляют из материала в три стадии. На первой стадии при снижении давления в сушильной камере происходят самозамораживание влаги и сублимация льда за счет теплоты, отдаваемой материалом. При этом удаляется до 15% всей влаги. Вторая стадия — сублимация, при которой удаляется основная часть влаги. На третьей стадии тепловой сушки удаляется оставшаяся влага. По энергоемкости сублимационная сушка приближается к сушке при атмосферном давлении. Терморадиационная сушилка применяется, например, для термообработки зерновых материалов, таких, как фасоль, горох, ячмень и др. При сушке инфракрасными лучами теплота для испарения влаги подводится термоизлучением. Генератором, излучающим теплоту, являются специальные лампы или нагретые керамические или металлические поверхности. При сушке термоизлучением на единицу поверхности материала в единицу времени приходится значительно больше теплоты, чем при сушке нагретыми газами или при контактной сушке. Процесс сушки значительно ускоряется. Так, продолжительность сушки инфракрасными лучами тонкослойных материалов сокращается в 30…100 раз. На рис. 15 представлена схема радиационной сушилки с излучателями, обогреваемыми газами.
Рис. 15 Радиационная сушилка: 1— конвейер; 2 — газодувки; З — газовые горелки; 4— излучатель; 5 — выхлопная труба Газовые радиационные сушилки проще по конструкции и дешевле сушилок, оборудованных лампами. Излучатели нагреваются газом, сжигаемым непосредственно под излучателями, или же топочными газами, поступающими внутрь излучателей. Выбор излучателей определяется свойствами высушиваемого материала. Для интенсификации сушки сушилки должны работать в осциллирующем режиме, чтобы термодиффузионный поток влаги, направленный вследствие температурного градиента внутрь материала, не препятствовал диффузии влаги с поверхности. Высокочастотные сушилки в последнее время нашли применение для выпечки толстослойных изделий, например тортов. При высокочастотной сушке можно регулировать температуру к влажность не только на поверхности, но и по толщине материала. СВЧ-сушилка (рис. 16} состоит из лампового высокочастотного генератора и сушильной камеры, внутри которой находится ленточный конвейер. Переменный ток к сети частотой 50 Гц поступает в выпрямитель, а затем в генератор, где преобразуется в переменный ток высокой частоты. Этот ток подводится к пластинам конденсатора, которые расположены с обеих сторон ленточного конвейера. Под действием поля высокой частоты ионы и электроны материала меняют направление движения синхронно с изменением знака заряда пластин кондесатора. Дипольные молекулы получают вращательное движение, а неполярные поляризуются из-за смешения их электрический зарядов. В результате этих процессов в материале выделяется теплота и материал нагревается. Изменяя напряженность электрического поля, можно регулировать скорость сушки.
Рис. 16 СВЧ-сушилка: 1 — пластинка конденсатора; 2 — сушильная камера; З — ленточный конвейер; 4 — ламповый высокочастотный генератор; 5 — выпрямитель При высокочастотной сушке требуются высокие удельные расходы энергии (2, 5...5 кВт-ч на 1 кг испаренной влаги). Конструкция высокочастотных сушилок более сложная и дорогая, чем конвективных и контактных. Поэтому высокочастотные сушилки целесообразно применять для термообработки дорогостоящих пищевых продуктов.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Какой процесс называют сушкой? 2. По каким параметрам подразделяют конструкции сушилок? 3. Какие известны конструкции конвективных сушилок? 4. Какие известны конструкции контактных сушилок? 5. Какие материалы целесообразно сушить в конвективных сушилках, а какие – в контактных? 6. Какие продукты сушат в распылительных сушилках? Почему в ряде случаев сушильные установки делают двухступенчатыми? 7.Каким путем теплота теплоносителя к материалу передается в конвективных и контактных сушилках? 8. Какие специальные виды сушки известны? 9. В каких случаях применяют сублимационную сушку? На чем она основана? 10. Какие преимущества и недостатки имеют СВЧ-сушилки?
|
