автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Исследование аэродинамического взаимодействия продукта с воздухом и совершенствование конструкции распылительных сушилок

На правах рукописи

Смокотин Евгений Валерьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРОДУКТА С ВОЗДУХОМ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ РАСПЫЛИТЕЛЬНЫХ СУШИЛОК

Специальность 05.18.12 Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- в ПАР 2014

Москва - 2014

005545860

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт молочной промышленности Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВНИМИ Россельхозакадемии).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Харитонов Владимир Дмитриевич

Официальные оппоненты:

Семенов Евгений Владимирович, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский Государственный университет технологий и управления имени К.Г.Разумовского, профессор кафедры «Технология продуктов из растительного сырья и парфюмерно-косметических изделий». Золотин Александр Юрьевич, кандидат технических наук, Государственное научное учреждение научно-исследовательский институт детского питания Российской академии сельскохозяйственных наук, начальник отдела аграрно-пищевых и частных технологий.

Ведущая организация: Государственное научное учреждение всероссийский научно-исследовательский институт консервной и овощесушилыюй промышленности Российской академии сельскохозяйственных наук.

ЫИ

Защита состоится «/¿7>у>Прс/Я 2014 г. в/У часов на заседании диссертационного совета ДМ 006.021.01 при Государственном научно учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт мясной промышленности им. В.М.Горбатова Российской академии сельскохозяйственных наук по адресу: 109316, Москва, ул.Талалихина, 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВНИИМП им. В.М.Горбатова Россельхозакадемии.

Автореферат разослан 14 г.

Ученый секретарь объединенного диссертационного совета, кандидат технических наук, старший научный сотрудник

А.Н.Захаров 2

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Удаление влаги из материалов (сушка) является составляющим элементом процесса производства большого количества как непищевых, так и пищевых продуктов. Это определяет большой объем проводимых работ, направленных на создание и совершенствование различных типов сушильных установок, предназначенных для выработки разнообразных продуктов.

Развитие техники и технологии сушки в молочной промышленности идет, в первую очередь, в направлении достижения высокого качества вырабатываемых продуктов. С этим связано широкое применение для получения сухого молока процесса распылительной сушки. Учитывая высокую энергоемкость этого процесса, всегда остро стоят вопросы его оптимизации. Расчеты распылительных сушилок, применяемые в настоящее время, базируются на обобщенных эмпирических данных, основу которых составляют балансовые уравнения, не учитывающие ни локальную аэродинамику, ни распределение полей температур и влагосодержания, высушиваемых материалов и сушильного агента. Процессу распылительной сушки посвящено большое количество работ таких исследователей как: Гинзбург A.A., Грановский В.Я., Кук Г.А., Лебедев П.Д., Липатов H.H., Лурье М.Ю., Лыков М.В., Филатов Ю.И., Харитонов В.Д., Хомяков А.П., Яковлев В.И., Kessler А., Masters К., Robinson R.

На отечественных предприятиях молочной отрасли работает около 270 распылительных сушильных установок различных типов и конструкций. Почти все они, за редким исключением, пущены в эксплуатацию еще до 1990г. Большая часть этого оборудования отработала свой ресурс и морально устарела. С этим связаны завышенные энергозатраты и потери продукта, а также недостаточно высокое его качество. В настоящее время стоит вопрос либо о модернизации указанных сушилок с целью обеспечения высокого качества вырабатываемых на них продуктов при относительно низких энергозатратах, либо об их замене на новое высокоэффективное оборудование. Снижение энергозатрат на сушку только на 10% позволяет получить экономию тепловой энергии около 350 ГДж в год.

Составной частью мероприятий по реконструкции указанных установок является улучшение аэродинамических условий процесса за счет изменения геометрии и конструкции сушильных камер (установка конусного днища с флюидным дном, изменение конфигурации потолочной части и воздухораспределителя, изменение места расположения выходного патрубка отработанного теплоносителя), для чего требуется научно обоснованный инженерный метод расчета геометрических параметров сушильных камер. Метод крайне необходим и при разработке конструкции новых сушильных установок. Применение метода позволило бы снизить металлоемкость, габариты, а следовательно и стоимость оборудования.

Цель и задачи исследований. Целью работы являлась разработка новых конфигураций рабочих камер распылительных сушильных установок уменьшенной металлоемкости и метода их расчета.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследовать поведение и геометрические характеристики воздушных струй при различных режимах их истечения их отверстий круглого и прямоугольного сечения;

2. Определить характер движения воздушных потоков в вертикальной сушильной камере с центральной верхней подачей теплоносителя и продукта;

3. Определить кинетические характеристики движения частиц распыленного продукта в сушильной камере;

4. Определить характер взаимодействия потока теплоносителя и частиц продукта в сушильной камере;

5. Разработать метод расчета основных геометрических параметров сушильных камер и воздухораспределительных устройств;

6. Провести апробацию результатов работы в промышленных условиях;

7. Разработать исходные требования на распылительную сушильную камеру повышенной влагонапряженности.

Научная новизна.Выявлены зависимости геометрических характеристик затопленной воздушной струи (коэффициент расширения, протяженность до распада) от ее начальных параметров (конфигурация выходного сечения и число Яе).

Разработана модель аэродинамических потоков сушильного агента и частиц распыленного продукта в камерах распылительных установок с центральным верхним подводом теплоносителя и продукта.

Получены новые данные о влиянии частиц распыленного продукта на характеристики потока теплоносителя.

Получена система уравнений, связывающая геометрические параметры сушильных камер, параметры распыливания продукта, характеристики потока теплоносителя.

Пра»сгическая значимость и реализация работы. Результаты выполненных исследований явились основой для разработки метода инженерного расчета геометрических параметров сушильных камер и воздухораспределительных устройств распылительных сушилок.

Разработанный метод был применен при реконструкции сушильной установки УЯС-З, а также при разработке исходных требований на прямоточную распылительную сушильную камеру повышенной влагонапряженности производительностью 500 кг испаренной влаги в час.

Разработанный метод позволяет проводить сравнительный анализ как различных методов сушки, так и реальных, находящихся в эксплуатации сушильных установок, с точки зрения осуществления их модернизации или замены на новые.

Результаты работы могут быть использованы при проведении исследований тепло- и массообменных процессов распылительной сушки.

Диссертационная работа выполнена соискателем лично, включая анализ литературно-информационных источников; определение методологии проведения исследований; получение и обобщение теоретических и экспериментальных данных; формулирование выводов; внедрение разработанного метода

на ООО «Лебедянь»; разработка исходных требований; подготовка публикаций. Соавторство по ряду этапов отражено в списке публикаций.

Апробация работы. Результаты работы доложены на Конференции-конкурсе «Университетский комплекс прикладной биотехнологии», г. Москва, 2008г.; на VII Международной научной конференции студентов и молодых ученых «Живые системы и биологическая безопасность населения», г. Москва, 2008г.; на Конференции-конкурсе научно-инновационных работ молодых ученых и специалистов «Отделения хранения и переработки сельскохозяйственной продукции» Россельхозакадемии, г. Москва, 2008г.; на 3-ей Конференции молодых ученых и специалистов Россельхозакадемии «Обеспечение качества и безопасности продукции агропромышленного комплекса в современных социально-экономических условиях», г. Москва, 2009г.; на Конкурсе «Эстафета поколений» среди молодых ученых, г. Москва, 2009г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, методической части, теоретической и экспериментальной части, обсуждения результатов, выводов, библиографического списка, содержащего 137 источников отечественной и зарубежной литературы, и приложений. Основная часть работы изложена на 141 страницах, содержит 13 таблиц, 62 рисунка, 4 приложения.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность, сформулированы цель и задачи, показана научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе рассмотрены варианты конструктивного исполнения сушильных камер распылительных сушилок различных типов, в соответствие с принятой классификацией, и применяемые методы их расчета.

Выделены основные виды конструкций с точки зрения взаимного расположения распыливающих и воздухораспределительных устройств, мест выгрузки сухого продукта и выхода отработанного сушильного агента, а также соотношения геометрических размеров самих сушильных камер.

Проведенный анализ литературных источников свидетельствует, что проблема рационального аппаратурного оформления процесса сушки молочных продуктов далеко не исчерпана. Существует ряд принципиальных вопросов по аэродинамике теплоносителя в сушильных камерах и по характеру взаимодействия диспергированных частиц с воздушным потоком.

Проводимые исследования базировались на трудах по теории и практики газовой динамики, теплообмена и распылительной сушки Абрамовича Г.Н., Вуко-ловича М.П., Кука Г.А., Липатова H.H., Лыкова М.В., Михеева М.А., Рысина А.П., Филатова Ю.И., Харитонова В.Д, Хомякова А.П., Kessler А., Masters К., и др.

Во второй главе «Объекты и методика проведения исследований» приведены структурная схема и объекты исследований (рис.1), изложены методические подходы к их проведению.

Объектами исследований являлись: параметры сгущенных молочных продуктов; параметры сухих продуктов; параметры воздуха-теплоносителя.

Аналитический обзор научной, патентной и технической литературы

Определение актуальности, постановка цели и задач исследований

Выбор объектов и методов проведения исследований, и обработка _полученных результатов _

Исследование геометрических параметров затопленной воздушной струи

Анализ аэродинамических характеристик сушильных камер

Определение временных и пространственных характеристик движения частиц в потоке теплоносителя и их влияния на характеристики воздушных потоков

Разработка метода расчета геометрических параметров сушильных камер

Исследование распределения воздушных потоков в прямоточных сушильных камерах промышленных сушильных установок с верхним подводом теплоносителя

Рис.1. Структурная схема проведения исследований

Измеряемыми в ходе проведения исследований параметрами являлись: массовая доля сухих веществ сгущенного продукта; массовая доля влаги, массовая доля жира, растворимость и группа чистоты сухого продукта; температура, статическое, динамическое и полное давление, скорость, расход воздуха-теплоносителя; геометрические параметры затопленной воздушной струи.

Массовую долю жира, сухих веществ, влаги, индекс растворимости и группу чистоты в продуктах определяли по стандартным и общепринятым методикам.

Основным средством измерения при исследовании скоростных воздушных потоков служил дифференциальный цифровой манометр ДМЦ-01М, оснащенный каналом измерения температуры, а также пневмометрическими приемниками в виде измерительной трубки конструкции Ниигаза и такой же трубки с функцией термометрии.

Для изучения скоростных и геометрических характеристики затопленных воздушных струй, истекающих из отверстий различной формы, была изготовлена стендовая установка (рис.2). Установка позволяет производить наблюдение за поведением затопленных воздушных струй при различных режимах их истечения и с помощью фотокамеры фиксировать их геометрические размеры. Измерительное устройство установки представляет собой трубу с внутренним диаметром, равным 70мм, и длиной 1,5м. Была проведена тарировка измерительного устройства, позволившая производить оценку расхода через измерительное устройство по скорости воздуха в одной точке его серединного сече-

ния. После проведения тарировки измерительная трубка была закреплена по оси измерительной трубы в ее серединном сечении.

Рис.2. Блок-схема экспериментальной модельной установки для визуального наблюдения и изучения параметров затопленной воздушной струи.

В качестве формирователя струи применялись горизонтально установленные трубки круглого с!20мм и с!30мм и прямоугольного 10x37мм сечения. Геометрические параметры струй определяли путем их фотографирования на фоне черного экрана с дальнейшей обработкой полученных изображений.

Для дальнейшего изучения формы исходящего из воздухораспределителей сушилок воздуха, использовалась специально изготовленная модель с коллектором трубок, устанавливаемые под выбранными углами на конусной поверхности, имитирующей аналогичную поверхность существующих воздухораспределителей. Обработку изображений при исследовании геометрических характеристик затопленной воздушной струи проводили, используя программу «Автокад».

Расстояние от выходного сечения формирователя струи до ее распада определи визуально по появлению видимых циркуляций дыма за внешней границей струи и измеряли.

Исследования распределения скорости теплоносителя в сушильных камерах промышленных распылительных сушильных установок проводили с помощью дифференциального манометра ДМЦ-01М и пневмометрической трубки, закрепленной на специально изготовленном шарнирном устройстве. Устройство помещается в сушильную камеру через окно ее двери и позволяет производить замеры скорости воздуха в трех плоскостях: на уровнях 1, 2 и 3 м от выходного сечения воздухораспределителя.

Обработку полученных в ходе экспериментальных исследований результатов проводили общепринятым методом путем вычисления среднего арифметического в параллельных (повторных) опытах и исключения ошибочных значений в соответствие с табличными значениями критерия Стьюдента

В третьей главе «Исследование затопленной воздушной струи» приведены результаты исследования геометрических параметров затопленной воздушной струи. Работа проводилась на установке, описанной в главе 2. Исследовали истечение струй из отверстий круглого с120мм и с!30мм и прямоугольного 10x37мм сечения, при числах Яе от 10 ООО до 100 ООО. Геометрические параметры струй определяли путем их фотографирования на фоне черного экрана с дальнейшей обработкой полученных изображений.

Работа проводилась следующим образом. Выбранная трубка устанавливалась горизонтально перед черным экраном, запускался дымогенератор и производилась экспозиция исходящей из выходного отверстия трубки струи наполненного дымом воздуха при различных режимах истечения. Экспонирование проводилось в четырехкратной повторности для 5 режимов истечения.

Таким образом, было получено около 100 изображений. На рис. 3 приведены некоторые из полученных изображений струи при истечении из трубок с различной конфигурацией выходного сечения.

Полученные изображения свидетельствуют, что характер истечения затопленной струи воздуха из каналов различных конфигурации и сечения, приблизительно одинаков.

Определяли степень расширения и протяженность струи до ее распада. Момент распада определяли визуально, по появлению видимых циркуляций дыма за внешнюю границу струи.

Анализ результатов измерений показал, что в исследуемом диапазоне скоростей среднее значение коэффициента расширения струи равен 0,2, а поперечный размер осесимметричной и плоской струи в текущем сечении можно определить соответственно по формулам О = + 0,4 • 5 (4); В = В0+ 0,4-5 (5),

где: £> - текущий диаметр струим,м ; £>0 - диаметр отверстия истечения, м; 5 - текущее расстояние от начала струи, м; В -текущая ширина струи, м; В„ -ширина щели истечения, м.

Рис.3. Истечение из отверстий различной конфигурации: а - трубка диаметром 20мм при скорости истечения 47,9м/с (Re=56000); б - трубка диаметром 30мм при скорости истечения 5,6м/с (Re=10000); в - плоская вертикально расположенная щель 10x37мм при скорости истечения 37,5м/с (Re=47500); г - плоская горизонтально расположенная щель 10x37мм при скорости истечения 38,5м/с (48500).

Протяженность существования струи до ее распада составляет величину от 5 до 35 характерных размеров выходного отверстия и зависит от числа Re. Зависимость в диапазоне чисел Re от 10 000 до 100 000 показана на рис.4. Таким образом, протяженность исходящей из кольцевого канала воздухораспределителя сушильной установки струи теплоносителя, при ширине канала 0,13м и при числах Re от 60 000 до 80 000, составляет около 7м. При этом, в момент столкновения струи с внутренней поверхностью камеры, ее толщина должна составить величину порядка 2м для сушилки производительностью 500 кг/ч.

-. 35

§зо

и

г 25

к

& го

к

115 I 10

15 ° о

-

Рис.4. Зависимость протяженности существования затопленной струи от числа 11е

23456789 10 Число Рейнольде«, Яв/10000

Эмпирическое уравнение полученной кривой для расчета протяженности затопленной струи до ее распада имеет вид: 1 = с1- (12,38 1п11е-102,67) (6),

Где: / — протяженность струи до ее распада, м; с1 — характерный размер (диаметр для осесимметричной и площадь деленная на периметр для плоскопараллельной) щели, М.

В четвертой главе «Анализ аэродинамических характеристик сушильных камер и разработка метода их расчета» приведены результаты исследования аэродинамической обстановки в камерах распылительных сушильных установок. В качестве объекта исследований выбрана геометрическая модель цилиндрической вертикальной сушильной камеры с конусным днищем, верхним расположением распылителя и ввода сушильного агента и отводом отработанного воздуха через нижний центральный патрубок. Воздухораспределители таких сушилок представляют собой конусный кольцевой канал с установленными в проточной части наклонными относительно продольного сечения направляющими лопатками. Каждый из кольцевых токов течения истекающей из такого воздухораспределителя струи в проекции на вертикальную плоскость представляет собой однополост-ный гиперболоид вращения. Конкретная форма и размеры воздухораспределителя, а также углы наклона направляющих лопаток, однозначно определяют все геометрические параметры этого гиперболоида в соответствие с расчетная схемой, приведенной на рис.5а. На рис.5б приведена схема поперечного сечения рассматриваемого гиперболоида, связывающая его геометрические параметры с поперечными размерами типовой сушильной камеры.

Кольцевая струя в сушильной камере находится в границах двух таких гиперболоидов, отстоящих друг от друга на толщину струи: в плоскости верхнего основания - на ширину кольцевого выхода из воздухораспределителя, в плоскости нижнего - на ширину струи, рассчитанной по формуле (5). Важно, чтобы действительная ось гиперболы внутреннего гиперболоида была на уровне верхней границы факела распыла, а нижнее основание этого гиперболоида делила пополам площадь горизонтального сечения сушильной камеры на уровне отверстия выходной трубы. Последнее условие необходимо для беспрепятственного удаления отработанного теплоносителя из камеры и для уменьшения циркулирующего теплоносителя в верхней периферийной части. Соотношение высоты гиперболоида, длины его линейной образующей и углов наклона образующей конуса и наклона направляющих лопаток было определено в результате решения системы треугольников (рис.6), образованных векторами

направления образующей конуса воздухораспределителя и направляющих лопаток.

Рис.5. Расчетная схема гиперболоида вращения: а - продольное сечение: МЫ и МК - директрисы; ЯБ = 2р - параметр гиперболы; и р2 - фокусы; Б0 - действительная ось; с) - расстояние между директрисами; Ь, и g - параметрические размеры; Ь|+Ь2-высота гиперболоида; Гц, г 12, г2| и г22 - расстояния от фокусов до противоположных точек пересечения основания и гиперболической образующей; Э, и Б, - диаметры оснований; Гг - проекция линейной образующей гиперболоида на вертикальную плоскость; б - поперечное сечение: 1 - проекция действительной оси; 2 - проекция нижней кромки обечайки воздухораспределителя; 3 - проекция внешнего диаметра выходной трубы; 4 - внутренняя граница струи на уровне отверстия выходной трубы; 5 - внутренняя поверхность сушильной камеры; ЭВр - диаметр верхнего основания; Э, - диаметр нижнего основания; 02 - диаметр сушильной камеры; - диаметр трубы выхода воздуха; 1| - ширина кольца от поверхности выходной трубы до внутренней границы струи; 12 - ширина струи на уровне отверстая выходной трубы; 1"г - проекция линейной образующей гиперболоида на горизонтальную плоскость;

Рис.6. Система треугольников, образованных векторами направления образующей конуса воздухораспределителя и направляющих лопаток: Pi - угол наклона образующей обечайки воздухораспределителя относительно горизонтальной плоскости; а - угол наклона лопаток воздухораспределителя; /г - линейная образующая гиперболоида; /'г и /"г -проекции линейной образующей гиперболоида соответственно на вертикальную ось и на горизонтальную плоскость.

Используя указанные на рис.5 и 6 обозначения и известные из математики основные соотношения размеров гиперболоида, была получена следующая система уравнений, связывающая геометрические параметры гиперболоида и геометрические размеры сушильной камеры.

Достоинствами полученной системы уравнений являются алгебраический вид всех входящих в систему уравнений и возможность проведения с ее помощью анализа неудовлетворительной работы сушильных установок, находящихся в промышленной эксплуатации.

= й,+й2; ru-r2l =г|г-га=2-о; r„ = Д2 + (0,5 • Д + с)2

У (?)

ги =7й1г+(0,5 А-с)2; r¡2 = Jh¡+{0,5 D,+cy ; r22=Jh; +(0,5 D, -cf ; e = c/a; p = Ь2/а = (c2-a2)/a' \ =e-Dj2-a\ h2 = e-D,/2-a; d = a2¡c\

с2 =a2 +Ь2; Д = 0,5■ (/JM + /?21); A = 0,5• 0,2 +/?22); eos/?,, = V.i;

cos/?21 = hjr2l ; eos/?,2 = ^/'12 ; cos/?22 = h2/r22; lr=Jl"r2 + H2 ; l"r=^R¡-R¡ + ^¡R¡P-R¿ ; eos a = # • sin /?, //,.; a = 0,5 • Ц,; S = S0+2cpc где: F.Fj - фокусное расстояние гиперболоида, м; a,b,c,g - параметрические размеры гиперболоида; Я - высота гиперболоида, м; е - эксцентриситет гиперболы, м; - параметр гиперболоида, m;í/ - расстояние между директрисами гиперболоида,м; /3, -угол между касательной гиперболы в точке пересечения с верхним основанием и горизонтальной плоскостью (угол при основании конуса воздухораспределителя), /?2 - угол между касательной гиперболы в точке пересечения с нижним основанием и горизонтальной плоскостью, /?,,, /?21, /?]2 и /?22 - углы между горизонтальной плоскостью и радиус-векторами, соответственно ru, г21, гп и г2;, Д0 -радиус действительной оси гиперболоида, м; RBP - радиус верхнего основания гиперболоида, м; 1Г - длина линейной образующей гиперболоида, м; а - угол наклона лопаток воздухораспределителя, В -текущая ширина струи, м; В0 -ширина щели истечения (ширина кольцевого выхода воздухораспределителя), м; срс - коэффициент расширения струи; S - текущее расстояние от начала струи, м.

Иллюстрация справедливости проведенных выше рассуждений была проведена с помощью специально изготовленной модели воздухораспределительного устройства по методике, описанной в главе 2. Полученное при этом изображение для угла наклона трубок устройства 20° приведено на рис.7.

Рис.7. Истечение воздуха из трубок, установленных на конусе демонстрационной модели воздухораспределителя под под углом 20°

На приведенных изображениях явно видно, что сформированные в воздухораспределителе струи воздуха в вертикальном сечении имеют вид гиперболоида. При этом угол наклона струи, определяемый углом наклона трубок, существенно влияет на геометрию этого гиперболоида и на положение его действительной оси относительно выходного сечения струй.

Применительно к существующим конструкциям сушильных камер система уравнений (7) была преобразована с учетом следующих допущений. Все частицы высушиваемого продукта находятся в струе исходящего из воздухораспределителя воздуха. Диаметр действительной оси внутреннего гиперболоида

шшшяяшш ÍHÉ 1

¡¡¡й

ШЯШ

Нмр^

i ¿

и

равен 1,1 диаметра распылительного диска. Верхние основания внутреннего и внешнего гиперболоидов находятся на уровне соответственно внутренней и внешней кромок воздухораспределителя. Действительная ось обоих гиперболоидов находится на уровне среднего сечения факела распыла, т.е. среднего сечения каналов распылительного диска, а их нижние основания на уровне входного сечения выходного патрубка. В этом случае D,B=Jo,5-{Dl+D}); D0B = 1,1 • Dd; Doll = 1,1 • Dá + 2 ■ sBP; HB=hLB+h1B; HH=hiH+hbH\ D,H = >5 -{Dl+D}) +1,73 • (s№ +2 -cpc-lrB);

l"r.B = 0,5 У 0,5- (pl +D})~ 1,21 D¡+ Jd? -1,21 ■ D¡ j; l (8)

'г.в = V'ra+; «=°.75 ■arccos яв ■sin Л /'r.s;

/*„ = 0,5 • |^[o,5• [pl +D1T)+l,73-{sBP+2-cpc -Z^)]2 -(l,l-Dt + 2-sBPf +

+ ^¡D¡ -(1,1- Dd + 2- sBP)2 j; 1ГН =д//"2я í a = arceosHH • sin /?,//rtf J где: D, я - диаметр нижнего основания внутреннего гиперболоида на уровне входа воздуха в выходной патрубок, м; DIH - диаметр нижнего основания внешнего гиперболоида, м; £>2 - диаметр цилиндрической части сушильной камеры, м; DUB - диаметр действительной оси внутреннего гиперболоида, м; Dd - диаметр распылительного диска, м; D0H - диаметр действительной оси внешнего гиперболоида, м; sBP - толщина струи, истекающей из воздухораспределителя, м; НВ,НИ - высота соответственно внутреннего и внешнего гиперболоидов, м; й1Я,Л,я - расстояние от среднего сечения факела распыла соответственно до внутренней и внешней кромок воздухораспределителя, м; h2 B = h1H = h2 - расстояние от среднего сечения факела распыла до плоскости входного сечения выходного патрубка, м; 1Г В - длина линейной образующей внутреннего гиперболоида, м; в - длина проекции линейной образующей внутреннего гиперболоида на горизонтальную плоскость, м; 1ГН - длина линейной образующей внешнего гиперболоида, м; /*„ - длина проекции линейной образующей внешнего гиперболоида на горизонтальную плоскость, м; £>, - диаметр внешней обечайки воздухораспределителя, м; D[ - диаметр внутренней обечайки воздухораспределителя, м.

С помощью полученной системы уравнений (8), для сушильной камеры прямоточной распылительной установки типа VRC-3 производительностью 500 кг испаренной влаги в час, была построена проекция основной струи теплоносителя в объеме сушильной камеры, схематично показанная на рис.8.

Средняя величина длины образующих гиперболоидов, образованных струей теплоносителя равняется 5,8м. Скорость потока в момент достижения им стенки сушильной камеры составляет 3,8 м/с. Время прохождения элементарного объема потока струи от момента истечения из воздухораспределителя до момента касания стенки сушильной камеры составляет менее 1с.

В основной зоне (зона I на рис.8) движение теплоносителя происходит по прямолинейной траектории. В ней осуществляется основной процесс сушки частиц продукта. После столкновения со стенками камеры поток теплоносителя разделяется на две части. Наибольшая его часть поступает в зону II, из кото-

рой осуществляется выход теплоносителя через вытяжную трубу. В этой зоне происходит частичное разделение высушенных частиц продукта и отработанного теплоносителя благодаря, во-первых, гравитационным силам и, во-вторых, циклонному эффекту, возникающему от закрутки потока теплоносителя после его столкновения со стенками сушильной камеры. Закрутка объясняется наличием тангенциальной составляющей скорости основного потока. Меньшая часть отработанного теплоносителя поступает в зону III, где также закручивается вдоль стенок сушильной камеры в горизонтальной плоскости.

Одновременно, этот поток совершает кольцевое движение в вертикальной плоскости: вверх, по стенкам камеры, далее, по потолку, к ее центру и, наконец, вниз по внешней границе основной струи. Данная зона является непроизводительной, т.е. паразитной.

Снизить количество поступающего в зону III теплоносителя можно, во-первых, путем уменьшения угла между направлением потока теплоносителя в основной зоне и касательной плоскости к поверхности камеры, а, во-вторых, путем уменьшения объема этой зоны.

В пятой главе «Определение временных и пространственных характеристик движения частиц в потоке теплоносителя и оценка их влияния на характеристики воздушных потоков» проведен анализ скоростных характеристик распыленных частиц и сушильного агента с учетом их взаимного влияния. Задачей данного этапа исследования являлся анализ взаимодействия теплоносителя и частиц продукта в зоне факела распыла. В этой зоне пересекаются потоки распыленного продукта и входного горячего теплоносителя. Занимает она практически всю толщину выходящей из воздухораспределителя струи в направлении, определяемом соотношением скоростей в этой струе и частиц распыленного продукта. Схематичное изображение расположения рассматриваемой зоны представлено на рис.9.

D,

Рис. 8. Характер течения основного потока сушильного агента в цилиндрической сушильной камере с верхним подводом сушильного агента и распыленного продукта: I - зона струи теплоносителя, исходящей из воздухораспределителя (основная зона); II - зона отделения частиц сухого продукта от отработанного теплоносителя (зона выгрузки); III - зона непроизводительного движения отработанного теплоносителя (паразитная зона)

Флюидное дно

Рис.9. Схема пересечения распыленного продукта и теплоносителя: 1 - поток горячего теплоносителя, исходящий из воздухораспределителя; 2 - зона пересечения факела распыла и теплоносителя; 3 - нисходящий поток теплоносителя и частиц продукта; d ibp и с^вр - диаметры, соответственно, внешней и внутренней обечаек выходного сечения воздухораспределителя; а„ и hK - соответственно, ширина и высота канала распылителя.

Скорость отдельных частиц после распада выходящей из распылителя струи продукта достигает 150 м/с и выше. Скорость пересекающего траекторию частиц теплоносителя составляет около 11 м/с. То есть скорость частиц почти на порядок превышает скорость теплоносителя. Однако скорость их очень быстро падает и становится соизмерима со скоростью воздуха. В начальный момент полета самых крупных из размерного ряда капель, а это около 150 мкм, числа Рейнольдса составляют не более 1 800, т.е. характер взаимного движения капель и теплоносителя ламинарный. На излете капли полностью тормозятся воздухом и их относительная скорость, а следовательно и числа Рейнольдса, приближаются к значениям, соответствующим скорости витания. В дальнейшем эту фазу полета частиц будем называть пролетом. Отметим также, что форма распыленных частиц близка к шарообразной и ее можно принять неизменной на протяжении всего процесса сушки. Размер частиц во время сушки также практически не изменяется.

Величина сопротивления воздуха движению шарообразной частицы

определяется известным выражением: p = ^ (9). С целью облегчения

дальнейших преобразований приведем обе части уравнения к безразмерному виду /V(pV)=0,125-£-;r-Reu2 = Кт (10)

где: р - сопротивление воздушного потока, кг/с; Кт - модифицированный коэффициент сопротивления; р - плотность воздуха, кг/м3; у - кинематическая вязкость воздуха, м^с; £ - коэффициент сопротивления; Re„ -число Рейнольдса гидродинамического взаимодействия воздушного потока и частицы; rf, - диаметр частицы, м; w - скорость частицы относительно окружающего воздуха, м/с.

От выбора расчетной формулы существенно зависят результаты определения ее пролета. Анализ существующих эмпирических выражений для определения коэффициента гидродинамического сопротивления для отдельной частицы позволил выбрать для диапазона чисел Re от 2 до 2 000 формулу предложенную Бабухой и Щрайбером:

£ = 12,3. Re;0'3 (11), или Кт = 4,83 ■ Re1;5 (12).

Протяженность и время пролета покинувших распылитель частиц продукта определяли, исходя из следующих условий. Толщина струи теплоносителя должна быть достаточна для того, чтобы скорость всех распыленных частиц уменьшилась внутри струи с начальной v0 до скорости витания v-um, чему соответствуют числа Re„ и Re,„M (условие «захвата» частиц струей теплоносителя). Толщина струи теплоносителя Ьф в направлении движения частицы продукта определяется величинами тангенциальной и радиальной составляющих их начальной скорости. Толщина струи теплоносителя s,/, в радиальном направлении определяется геометрическими параметрами воздухораспределителя. Радиальное ускорение элементарного объема продукта внутри канала распылительного диска линейно зависит от радиуса диска. Изменение массы частицы подчиняется экспоненциальной зависимости (3). Поскольку размер частиц в процессе сушки не изменяется, то можно записать аналогичное выражение и для изменения плотности частиц

где; рч - текущая платность частицы, кг/м3; р„0 - начальная плотность частицы в момент времени t = 0, кг/м3; рчк - конечная плотность частицы, кг/м3; тс - время сушки частицы, с; k - коэффициент пропорциональности.

В диапазоне изменения плотностей от 1145 до 772 кг/м3 уравнение можно заменить квадратным уравнением следующего вида р, = 2,46-106-т) -61,74-Ю3 тс +1145 (14).

Поскольку зависимость плотности частиц от времени по уравнению (14) является квадратичной, а зависимость силы сопротивления полету частиц по уравнению (10) обратно квадратичной, можно использовать при оценке пролета среднеарифметическую величину плотности, т.е. р, =958кг/м3. В этом случае, а также учитывая, что Re>um « Re0, выражения, определяющие протяженность и время пролета покинувших распылитель частиц продукта будут иметь вид

/>^ = 0,262-i-£A-Re; (15), (16),

ЬФ КтЬф р Лг V р

где: 1„р - длина пролета частицы, отнесенная к толщине струи в месте пролета; - длина пролета частицы, м; Ьф - толщина струи теплоносителя в месте пролета частицы, м; Кт - модифицированный коэффициент сопротивления; d^ - диаметр частиц, м; р, - среднеарифметическая плотность частиц, кг/м3; р - средняя плогшость теплоносителя, кг/м3; Re0 - число Re в начале пролета частицы; т„р - время пролета частиц, с; v - кинематическая вязкость воздуха, м2/с.

Толщина струи теплоносителя Ьф в направлении движения частицы продукта и толщина струи теплоносителя в радиальном направлении, соответствующая толщине струи теплоносителя в среднем сечении факела распыла, а также начальная скорость частиц и ее составляющие, определяются выражениями: ^=sBP+cpe-(hl+h2)_ _ (17),

Ьф = 0,5 • [Jd1, ■ (0,21 + cos2 у)+4,4• Ц,+ 4• з2ф - Ц, • J0,21 + cos VJ (18),

v, =0,074 л (£>,-£>„) (19), v, = 0,052-и-Ц, (20),

у,=0,052-Я-7з-Аг-4-^-А.+2-Д2„ (21), = (22),

где: А, - расстояние от среднего сечения факела распыла до внешней кромки воздухораспределителя, м; й2 - расстояние от среднего сечения факела распыла до внутренней кромки воздухораспределителя, м; у - угол между вектором начальной скорости частицы и вектором радиальной составляющей этой скорости, п - скорость вращения распылительного диска, об/мин; - диаметр внутренней полости распылительного диска, м.

С помощью полученных выражений были просчитаны время и расстояние пролета частиц распыленного продукта различного дисперсного состава (рис.10). Данные на приведенном графике свидетельствуют, что частицы диаметром вплоть до 140 мкм не в состоянии преодолеть нисходящую из воздухораспределителя струю теплоносителя и захватываются последней. При этом, время их пролета не менее, чем на порядок превосходит время их высушивания. В месте пересечения струи теплоносителя потоком распыленного продукта следует ожидать резкого изменения ее параметров (температуры, плотности, а следовательно и ее ширины) за счет испаренной из продукта влаги. Оценку этих изменений проводили с помощью расчетной схемы, представленной на рис. 11.

Рис.10. Зависимости протяженности /„р и времени пролета т^ частиц продукта через струю выходящего из воздухораспределителя воздуха от диаметра частиц </„.

А/вм, Рвм. ?вм Mm, рън, Тъ\\

Л/тта. Опн. Тин Mr... Dr..

Мег, Ссг

Мея, Рев, WCB

Рис. 11. Расчетная схема изменения параметров сушильного агента в области пересечения с распыленным продуктом: Mm,, pmi, Тш - соответственно, массовый расход, плотность и температура сушильного агента (горячего воздуха), подаваемого на сушку, Мсг<,сС! - соответственно, массовый расход и массовая доля сухих веществ в сгущенном продукте; Мв, - массовый расход влаги, удаляемой из сгущенного продукта в рассматриваемой области; Мвн ,рвн,Твн - соответственно, массовый расход плотность и температура сушильного агента на границе зоны распы-ливания; Мин ,рпн -Тип - соответственно, массовый расход, плотность и температура пара, удаленного из продукта, на границе зоны распиливания; Мсв, pea, wсв - соответственно, массовый

расход, плотность и влажность сухого вещества продукта, высушенного в зоне распыливания; Мсм, рем • соответственно, массовый расход и плотность продукто-паро-воздушной смеси за зоной распиливания.

Вертикальные линии на схеме, разделяющие состояния участвующих в процессах веществ, указаны условно, поскольку все эти процессы протекают одновременно и непрерывно. Анализ приведенной схемы позволил определить относительное изменение плотности потока в зоне распыливания. При этом, учитывалось, что высушивание продукта в камерах распылительных сушилок -процесс изобарный, т.е. соотношение плотностей среды по потоку обратно пропорционально изменению температур (рвн/рпн =1,61, в диапазоне температур от 100 до 200°С, и Ра,/рев =0,001) получаем общую формулу для расчета изменения плотности потока в зоне распыливания продукта.

дРя =!_!»£.--Мвм+Мсг --(23).

Твн л/и,+1,61^.(1-^^0

Проведенные расчеты изменения плотности струи сушильного агента в зоне распыливания продукта для промышленных сушильных установок башенного типа с верхним подводом сушильного агента и продукта различной производительности показали, что эти изменения не превышают 4%.

Результаты проведенных исследований свидетельствуют, что в сушильных камерах распылительных установок производительностью 500 кг/ч исходящая из воздухораспределителя струя горячего воздуха сохраняет свою форму на всем своем протяжении вплоть до ее столкновения с внутренней поверхностью камеры. Влияние потока распыленного продукта на параметры и конфигурацию струи сушильного агента минимально и не превышает 4%. При числах Яе 105-1,1*105 и эквивалентном размере выходного сечения воздухораспределителя около 0,13 м протяженность исходящей струи до ее распада составляет около 6 м, что соответствует габаритам существующих сушильных камер. При этом, в момент столкновения струи с внутренней поверхностью камеры, толщина ее составит порядка 2 м.

Учитывая, что в рассматриваемой струе горячего воздуха происходит высушивание основной массы распыленного продукта, а параметры самой струи известны, полученные данные позволяют производить уже на стадии проектирования рациональный выбор соотношений габаритных размеров сушильных камер и воздухораспределителя, а также углов наклона направляющих лопаток последнего.

На рис.12 приведена гипотетическая модель движения теплоносителя (сплошные линии) и частицы продукта (штриховая линия) в объеме сушильной камеры. Модель построена на основании проведенных выше исследований.

В шестой главе «Исследование воздушных потоков в сушильных камерах промышленных сушильных установок с верхним подводом теплоносителя. Практическое применение результатов исследований при реконструкции действующих и создании новых сушильных установок» приведены результаты экспериментальных исследований, проведенных на промышленной сушильной установке производительностью 500 кг испаренной влаги в час, а также результаты практического применения полученных в ходе проведенных исследований данных.

Сгущенный СуШНЛЬНЫЙ празукг СушнньныЛ

,кт

<>юп V- Ч

Рис.12. Гипотетическая модель течения теплоносителя и полета отдельной частицы в объеме сушильной камеры.

Экспериментальные исследования проводились на сушильной установке словацкого производства типа УЯС-З, эксплуатирующейся в ООО «Лебедянь-молоко» (г.Лебедянь). В ходе исследований определяли распределение по радиусу сушильной камеры осевых составляющих скорости воздуха. Работы проводились на холостом ходу сушилки без подачи продукта и нагрева теплоносителя (воздуха на входе в сушильную камеру). Первая серия измерений была проведена в плоскости на уровне 2 м от выходного сечения воздухораспределителя. Длина струи до точки измерения, при этом, составляла около 3 м. Полученное распределение скоростей показало, что по оси сушильной камеры имеется значительный поток теплоносителя, направленный к выходному патрубку. Исходя из этого, было сделано предположение, что в данной сушильной камере аэродинамическая обстановка далека от идеальной. Данный вывод подтверждался, также, пониженной, против паспортной, производительностью сушилки и недостаточно высокими качественными показателями сухого продукта. Наблюдалось наличие в готовом продукте пригорелых частиц, что было нами связано с наличием в верхней периферийной области сушильной камеры обширной застойной (паразитной) зоны, в которую поступает большое количество частиц продукта из основной струи теплоносителя. Используя разработанный метод расчета были выбраны углы наклона лопаток. Полученные значения угла установки лопаток относительно образующей конуса воздухораспределителя составили: для внешнего ряда - 49°, для внутреннего -31.

Наименьшее время нахождения распыленных частиц продукта в потоке основной струи теплоносителя определяли по формуле:

где: гс - наименьшее время нахождения распыленных частиц в потоке основной струи теплоносителя, с; ,5Вр - толщина струи, истекающей из воздухораспределителя, м; 1ГВ - длина образующей гиперболоида внутренней границы струи, м; V - средняя скорость истечения теплоносителя из воздухораспределителя, м/с.

(24).

Это время соответствует, для данной конструкции сушильной камеры, промежутку времени от момента истечения элементарного объема теплоносителя из воздухораспределителя до момента достижения этим объемом стенки сушильной камеры. Данный показатель должен являться одним из определяющих при конструировании распылительных сушильных установок прямоточного типа.

После установки направляющих лопаток воздухораспределителя в указанном положении были проведены измерения распределения скорости потока теплоносителя в трех плоскостях на уровнях 1, 2 и 3 м от выходного сечения воздухораспределителя. При этом средняя длина струи до точки измерения составляла соответственно 1,5; 3 и 4,5 м. Результаты измерений приведены на рис.13.

Рис.13. Кривые распределения скоростей потока теплоносителя в сушильной камере по радиусу на уровнях Н1= 1м, Н2=2м и Н3=3м по вертикали от выходного сечения воздухораспределителя: V - скорость потока теплоносителя; Я - текущий радиус от оси сушильной камеры.

Отрицательные значения скорости потока вблизи оси и на периферии сушильной камеры свидетельствуют о наличии обратного течения в этих областях.

Представленные результаты измерений свидетельствуют о наличии в сушильной камере вполне упорядоченных основных потоков теплоносителя. Для иллюстрации полученных данных на рис.14 приведены эпюры осевых скоростей теплоносителя в вертикальном сечении сушильной камеры рассматриваемого типа, а также показаны направления движения теплоносителя.

С целью оценки изменения параметров процесса и качественных показателей сухих продуктов в результате проведенной реконструкции были проведены контрольные сушки. В результате упорядочения скоростных потоков теплоносителя в сушильной камере, производительность сушильной установки возросла приблизительно на 10%. Настолько же уменьшились удельные энергозатраты, учитывая, что общее потребление энергии не изменилось. Улучшилось качество продукта, а именно уменьшилось количество пригорелых частиц благодаря снижению заброса частиц продукта к периферийной потолочной области. Особо, следует отметить, что положительный результат был достигнут путем реализации технического решения, полученного расчетным путем. Это подтверждает достоверность проведенных исследований.

В целом можно констатировать, что в прямоточной вертикальной сушильной камере с верхним расположением воздухораспределителя и распыли-вающего устройства, около стенки камеры и в ее центральной части образовывается обратное движение теплоносителя, снизу вверх, и в верхней части камеры формируются застойные зоны. Эти зоны не участвует в процессе сушки и, по существу их можно считать «паразитными». Таким образом, можно заклю-

чить, что объем вертикальных прямоточных сушильных камер используется нерационально. Проведенные исследования позволяют производить уточненный расчет конструктивных размеров прямоточных распылительных сушильных камер, максимально свободных от этих «паразитных» зон.

_ ГгущеиныИ ... ..

\ ¿1

I

1 у и...................... '

1 # 1 'Щ\ ^ /// / __

//

V—•______ ____и

Рис.14. Схема потока и эпюры осевой скорости V теплоносителя в сушильной камере прямоточного типа с верхним подводом теплоносителя и продукта.

В качестве примера, в табл.1 приведены результаты расчета вертикально расположенных сушильных камер производительностью 500 кг испаренной влаги в час. В той же таблице приведены данные сушильной камеры промышленной сушильной установки УЯС-З словацкого производства.

Таблица 1

№ № Наименование Обозначение Величина для сушильной камеры

УЯС-3 Рис.16 Рис.17 Рис.18

1 Диаметр цилиндрической части сушильной камеры, м о2 5,70 5,75 5,75 3,40

2 Средняя скорость истечения теплоносителя из воздухораспределителя, м/с V 11 11 11 5

3 Угол наклона внутреннего ряда лопаток воздухораспределителя, град С ав 31 43 43 50

4 Угол наклона внешнего ряда лопаток воздухораспределителя, град С ан 49 49 49 48

5 Наименьшее время нахождения распыленных частиц в потоке основной струи теплоносителя, с *с 0,42 0,45 0,45 0,47

6 Рабочий объем сушильной камеры, м^ вск 150 109 101 25

7 Влагонапряженность сушильной камеры, кг с/м3 3,33 4,44 4,97 19,28

За основу расчетов были приняты основные технические решения современных промышленных сушильных установок в части конструкции и взаимного расположения воздухораспределительного и распыливающего устройств и флюидного дна, а также организации выхода отработанного воздуха.

Особенностью схем является конусное исполнение верхней части, приближенное к форме основного потока теплоносителя внутри камеры. Расположение и размеры узкой цилиндрической части, согласно проведенным расчетам, должны обеспечить попадание именно на нее всей толщины основной струи теплоносителя.

Конструктивные схемы установок приведены на рис.15-17.

Приведенные схемы в части конструктивного исполнения воздухораспределителя и выхода отработанного воздуха соответствуют аналогичным современным промышленным сушильным установкам такой же производительности. Определяющим параметром, с точки зрения достижения частицами распыленного продукта конечной влажности, является время их нахождения в потоке теплоносителя.

Особенностью схемы на рис.16 является конусное исполнение верхней части, приближенное к форме основного потока теплоносителя внутри камеры. Расположение и размеры цилиндрической части, согласно проведенным расчетам, должны обеспечить попадание именно на нее всей толщины основной струи теплоносителя. Горизонтальное расположение сушильной камеры по схеме на рис. 17 позволит уменьшить высоту помещения для установки сушилки. Кроме того, при этом появляется возможность совместить сушильную камеру с устройством для очистки этого воздуха, например, камерой с рукавными фильтрами. Преимущества схемы на рис.17 проще реализовать, при применении форсуночного распылительного устройства.

Продукт

Теплоноситель | Теплоноситель

продукт , I

Ч..............I Отработанный

Рис.15. Конструктивная схема 1 исполнения прямоточной вертикально расположенной сушильной камеры с дисковым распиливанием продукта: 1 - воздухораспределитель; 2 - дисковый распылитель; 3 - основная рабочая часть; 4 -цилиндрическая часть; 5 - флюидное дно; 6 - вытяжная труба.

Рис.16. Конструктивная схема 2 исполнения прямоточной горизонтально расположенной сушильной камеры с дисковым распылива-нием продукта: 1 - воздухораспределитель; 2 - дисковый распылитель; 3 - основная рабочая часть; 4 - воздушная полость фильтр-камеры; 5 - фильтр-камера

Продукт

Теплоносителе ^.....Теплоноситель

§

Рис.17. Конструктивная схема 3 исполнения прямоточной вертикально расположенной сушильной камеры с дисковым распыливанием продукта: 1 - воздухораспределитель; 2 - дисковый распылитель; 3 - основная рабочая часть; 4 - цилиндрическая часть; 5 - флюидное дно; 6 - вытяжная труба.

^Отработанный теп поноситель

По схеме, приведенной на рис.17, предлагается иной путь уменьшения габаритов, в том числе и высоты сушильных камер. Схема предусматривает уменьшение скорости теплоносителя до 5 м/с при неизменном его расходе. Вла-гонапряженность этой камеры в 3,8-5,9 раз выше, чем у ранее рассмотренных, а масса внешней и внутренней обшивки в 3,4 меньше, по сравнению с камерой промышленной сушилки. На основании расчетных данных были разработаны исходные требования на сушильную камеру для установки производительностью 500 кг испаренной влаги в час.

Предлагаемая к разработке сушильная камера может быть использована в составе практически любой современной установки указанной выше производительности, предназначенной для производства сухой молочной продукции. В качестве распыливающего устройства используется распылительный агрегат от промышленной сушилки типа УИС-З.

Таким образом, полученные в ходе проведенных работ аналитических и экспериментальных исследований результаты, позволили связать аэродинамические характеристики течения теплоносителя, конструктивные характеристики воздухораспределительных устройств и габаритные размеры сушильных камер. Проведена экспериментальная проверка этих результатов на промышленной сушильной установке.

Предложенный метод расчета позволил разработать ряд вариантов рационального конструктивного исполнения рабочих камер сушильных установок, отличающихся от существующих значительно меньшими габаритами и металлоемкостью.

В седьмой главе «Технико-экономические расчеты» приведены расчет ожидаемой экономической эффективности от реконструкции сушильной установки типа УЯС-З и от внедрения сушильной камеры новой конструкции.

Ожидаемый годовой экономический эффект от проведения реконструкции сушильной установки типа УЯС-З за счет снижения затрат на реконструкцию и повышения производительности оборудования составляет около 23 млн руб.

Результаты расчета экономического эффекта от снижения металлоемкости сушильных камер новой конструкции приведены в табл.2.

Таблица 2

№ Наименование Величина для сушильной камеры

№ УЯС-З Рис.16 Рис.17 Рис. 18

1 Общая площадь внутренней поверхности сушильной камеры, м 146,9 112,6 88,3 41,4

2 Общая площадь внешней поверхности сушильной камеры, м2 149,8 118,0 92,4 44,5

3 Масса внутренней и внешней обшивки сушильной камеры, кг 3 343 2 591 2 051 971

4 Стоимость обшивок сушильной камеры, включая доставку и монтаж, руб. 3 004 800 2 335 700 1 851 200 882 300

На основании проведенных расчетов экономических показателей можно утверждать, что применение разработанного метода расчета сушильных камер

экономически выгодно как для производителей оборудования, так и для предприятий, его эксплуатирующим.

Основные результаты работы и выводы

1. Изучено поведение свободно истекающей воздушной струи из отверстий круглого и прямоугольного сечения. Показано, что коэффициент ее расширения составляет около 0,2 значения координаты от начального сечения и практически не зависит (в пределах чисел Яе от 10000 до 150000) от конфигурации отверстия и начальной скорости струи. Протяженность существования струи до ее распада составляет величину от 10 до 70 характерных размеров выходного отверстия. Получена зависимость этого параметра от числа Яе.

2. Проведен анализ распределения воздушных потоков в вертикальных прямоточных сушильных камерах распылительных установок. Определены скоростные параметры потоков и пространственное их расположение. Сформулированы условия организации эффективного распределения воздушных потоков в объеме сушильной камеры. Показано, что в сушильных камерах распылительных установок исходящая из воздухораспределителя струя горячего воздуха сохраняет свою форму на всем своем протяжении вплоть до ее столкновения с внутренней поверхностью камеры. Проекция границ струи на вертикальную плоскость имеет вид гиперболоида.

3. Получены зависимости протяженности и времени «пролета» частиц распыленного продукта от его дисперсного состава. Показано, что при толщине исходящей из воздухораспределителя струи воздуха равной 0,13 м максимальный размер распыленных частиц не должен превышать 140 мкм. При этом время «пролета» составляет 0,004 с. Предложена гипотетическая модель движения потока теплоносителя и частиц распыленного продукта в распылительных вертикальных сушильных камерах.

4. Получено выражение для расчета изменения плотности струи сушильного агента в зоне распыливания продукта. Показано, что для всех распылительных сушильных установок башенного типа с верхним подводом сушильного агента и продукта изменение плотности струи теплоносителя не превышает 4%, т.е. практически не влияет на геометрические характеристики струи.

5. Получена система уравнений и разработан метод расчета геометрических параметров распылительных сушильных камер.

6. Проведена апробация результатов работы в промышленных условиях на сушильной установке типа УЯС-З. Обследование работы сушилки и выполненная переустановка лопаточного аппарата воздухораспределителя в соответствие с произведенными расчетами позволили увеличить производительность сушилки на 10% и повысить качество вырабатываемого продукта. Расчетный экономический эффект составил около 28 млн. руб. Распределение скоростей потока теплоносителя в сушильной камере установки, при этом, в основном соответствует распределению, рассчитанному с помощью разработанного метода.

7. На основании проведенных исследований произведен расчет и разработаны исходные требования на распылительную сушильную камеру с влаго-напряженностью около 19 кг с/м3. По сравнению с промышленной камерой

сушильной установки VRC-3 предлагаемая к разработке новая камера имеет в 1,5 раза меньшие высоту и диаметр, а также почти в 3,5 раза меньший вес. Экономический эффект только от снижения расходов материала внутренней и внешней обшивки камеры составляет более 2 млн. руб.

Список Публикаций

1. Кузнецов П.В. Производство сухой молочной сыворотки [Текст] / П.В.Кузнецов, Е.В.Смокотин, Ф.Г.Журко, В.Т.Габриелова, П.Мертин // Переработка молока. -2008. -№11.-С.42-43.

2. Филатов Ю.И. Сушка молочной сыворотки [Текст] / Ю.И.Филатов, П.В.Кузнецов, В.Т.Габриелова, Е.В.Смокотин, Ф.Г.Журко, П.Мертин // Молочная промышленность. - 2008. -№12. — С.58-60.

3. Смокотин Е.В. Технология производства сухого кобыльего молока [Текст]/ Е.В.Смокотин, В.Т.Габриелова, П.В.Кузнецов // Конференция-конкурс научно-иновационных работ молодых ученых и специалистов за 2008г. - Москва. - 2008. - С.102-105.

4. Смокотин Е.В. Технология производства сухого кобыльего молока [Текст] / Е.В.Смокотин, Ф.Г.Журко, П.В.Кузнецов // Совершенствование технологий производства продуктов питания в свете государственной программы развития сельского хозяйства на 2008-2012 гг.: Материалы Международной научно-практической конференции. - Часть 2. - Волгоград. - 2008. - С. 136-140.

5. Кузнецов П.В. Аналитическое определение скорости обтекания распыленных частиц воздухом в объеме сушильной камеры [Текст] / П.В .Кузнецов, Ю.И.Филатов,Е.В.Смокотин // Научное обеспечение молочной промышленности: Сборник научных трудов. - Выпуск 90. - Москва. - 2009. - С.217-222.

6. Кузнецов П.В. Анализ взаимодействия сушильного агента и частиц продукта в зоне распыления [Текст]/ П.В.Кузнецов, Ю.И.Филатов, Е.В.Смокотин // Научное обеспечение молочной промышленности: Сборник научных трудов.-Выпуск 90. - Москва. - 2009. - С.223-227.

7. Филатов Ю.И. Взаимодействие частиц продукта и воздуха в распылительной сушилке [Гекст]/ Ю.И.Филатов, П.В.Кузнецов, Н.А.Пухова, Е.В.Смокотин // Липатовские чтения: тезисы докладов. - Москва. - 2010. - С.132-135.

8. Харитонов В.Д. Анализ взаимосвязи аэродинамических характеристик и конструктивных размеров сушильных камер [Текст]/ В.Д.Харитонов, Ю.И.Филатов, П.В.Кузнецов, В.Т.Габриелова, Е.В.Смокотин, Ф.Г.Журко // Липатовские чтения: тезисы докладов. - Москва. - 2010. - С.139-143.

9. Кузнецов П.В. Реконструкция сушильных производств [Текст]/ П.В.Кузнецов, В.Т.Габриелова, Е.В.Смокотин, Н.А.Пухова, Ф.Г.Журко, П.Мертин // Переработка молока. - 2010. - №8. - С.26-29.

10. Кузнецов П.В. Реконструкция сушильных производств [Текст]/ П.В.Кузнецов, В.Т.Габриелова, Е.В.Смокотин, Н.А.Пухова, Ф.Г.Журко, П.Мертин // Переработка молока. - 2010. - №10. - С.26-29.

11. Смокотин Е.В. Соотношение параметров теплового и динамического воздушного пограничного слоя у поверхности распыленной частицы

[Текст]/Е.В.Смокотин, П.В.Кузнецов // Эстафета поколений. - Москва. -2010.-С.37-38.

12.Филатов Ю.И. Жировой компонент для производства ЗЦМ сухим смешиванием [Текст]/ Филатов Ю.И., Пухова H.A., Кузнецов П.В., Смокотин Е.В.// Молочная промышленность.-2009.-№12.-С.44-45.

13.Кузнецов П.В. Современное оборудование для производства сухих молочных продуктов [Текст]/ Кузнецов П.В., Смокотин Е.В., Чудайкин H.H., Огарков В.К., Урванцев В.АУ/Молочная промышленность. -2013.-№6.-С. 19-22.

Подписано в печать:

20.02.2014

Заказ № 93 52 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

Государственное научное учреяедение ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

МОЛОЧНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

04201456568 На правах рукописи

СМОКОТИН ЕВГЕНИЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРОДУКТА С ВОЗДУХОМ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ РАСПЫЛИТЕЛЬНЫХ СУШИЛОК

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, академик РАН, профессор Харитонов В.Д.

МОСКВА 2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение......................................................................................... 4

Глава 1. Состояние вопроса и постановка основных задач исследований.............................................................................................. 8

1.1. Методы сушки и сушильные установки........................................... 8

1.2. Методы расчета рабочих камер сушильных установок........................ 19

1.3. Существующие представления о гидромеханических процессах в сушильных камерах распылительных сушилок.......................................... 26

1.4. Методы и приборы для исследования скоростных характеристик воздушных потоков.............................................................................. 40

1.5. Обобщенный анализ литературных данных..................................... 44

Глава 2. Объекты и методика проведения исследований........................... 49

2.1. Объекты исследований................................................................................................................................50

2.2. Приборы и методы исследований......................................................................................................50

2.3. Обработка результатов исследований..........................................................................................59

Глава 3. Исследование затопленной воздушной струи..........................................................61

Глава 4. Анализ аэродинамических характеристик сушильных камер и разработка метода их расчета................................................................. 68

Глава 5. Определение временных и пространственных характеристик движения частиц в потоке теплоносителя и оценка их влияния на характеристики воздушных потоков..................................................................... 84

Глава 6. Исследование воздушных потоков в сушильных камерах промышленных сушильных установок с верхним подводом теплоносителя. Практическое применение результатов исследований при реконструкции действующих и создании новых сушильных установок....................................... 100

Глава 7. Технико-экономические расчеты............................................. 116

Основные результаты работы и выводы............................................ 119

Список Литературы....................................................................... 121

Приложения..................................................................................................................................................................133

Приложение А (Справочное)....................................................................................................................134

Приложение Б (Справочное)....................................................................................................................138

Приложение В Акт проведения работ по реконструкции сушильной установки типа УЯС-З........................................................................... 140

Приложение Г Исходные требования на камеру сушильную (титульный лист)........................................................................................... 141

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность

Удаление влаги из материалов (сушка) является составляющим элементом процесса производства большого количества как непищевых, так и пищевых продуктов. Это определяет большой объем проводимых работ, направленных на создание и совершенствование различных типов сушильных установок, предназначенных для выработки разнообразных продуктов.

Развитие техники и технологии сушки в молочной промышленности идет, в первую очередь, в направлении достижения высокого качества вырабатываемых продуктов. С этим связано широкое применение для получения сухого молока процесса распылительной сушки. Учитывая высокую энергоемкость этого процесса, всегда остро стоят вопросы его оптимизации. Расчеты распылительных сушилок, применяемые в настоящее время, базируются на обобщенных эмпирических данных, основу которых составляют балансовые уравнения, не учитывающие ни локальную аэродинамику, ни распределение полей температур и влагосо-держания, высушиваемых материалов и сушильного агента. Процессу распылительной сушки посвящено большое количество работ таких исследователей как: Гинзбург A.A., Грановский В.Я., Кук Г.А., Лебедев П.Д., Липатов H.H., Лурье М.Ю., Лыков М.В., Филатов Ю.И., Харитонов В.Д., Хомяков А.П., Яковлев В.И., Kessler А., Masters К., Robinson R.

IIa отечественных предприятиях молочной отрасли работает около 270 распылительных сушильных установок различных типов и конструкций. Почти все они, за редким исключением, пущены в эксплуатацию еще до 1990г. Большая часть этого оборудования отработала свой ресурс и морально устарела. С этим связаны завышенные энергозатраты и потери продукта, а также недостаточно высокое его качество. В настоящее время стоит вопрос либо о модернизации указанных сушилок с целью обеспечения высокого качества вырабатываемых на них продуктов при относительно низких энергозатратах, либо об их замене на новое

высокоэффективное оборудование. Снижение энергозатрат на сушку только на 10% позволяет получить экономию тепловой энергии около 350 ГДж в год.

Составной частью мероприятий по реконструкции указанных установок является улучшение аэродинамических условий процесса за счет изменения геометрии и конструкции сушильных камер (установка конусного днища с флюидным дном, изменение конфигурации потолочной части и воздухораспределителя, изменение места расположения выходного патрубка отработанного теплоносителя), для чего требуется научно обоснованный инженерный метод расчета геометрических параметров сушильных камер. Метод крайне необходим и при разработке конструкции новых сушильных установок. Применение метода позволило бы снизить металлоемкость, габариты, а следовательно и стоимость оборудования.

Цель и задачи исследований

Целью работы являлась разработка новых конфигураций рабочих камер распылительных сушильных установок уменьшенной металлоемкости и метода их расчета.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследовать поведение и геометрические характеристики воздушных струй при различных режимах их истечения их отверстий круглого и прямоугольного сечения;

2. Определить характер движения воздушных потоков в вертикальной сушильной камере с центральной верхней подачей теплоносителя и продукта;

3. Определить кинетические характеристики движения частиц распыленного продукта в сушильной камере;

4. Определить характер взаимодействия потока теплоносителя и частиц продукта в сушильной камере;

5. Разработать метод расчета основных геометрических параметров сушильных камер и воздухораспределительных устройств;

6. Провести апробацию результатов работы в промышленных условиях;

7. Разработать исходные требования на распылительную сушильную камеру повышенной влагонапряженпости.

Научная новизна

Выявлены зависимости геометрических характеристик затопленной воздушной струи (коэффициент расширения, протяженность до распада) от ее начальных параметров (конфигурация выходного сечения и число Яе).

Разработана модель аэродинамических потоков сушильного агента и частиц распыленного продукта в камерах распылительных установок с центральным верхним подводом теплоносителя и продукта.

Получены новые данные о влиянии частиц распыленного продукта на характеристики потока теплоносителя.

Получена система уравнений, связывающая геометрические параметры сушильных камер, параметры распыливания продукта, характеристики потока теплоносителя.

Практическая значимость

Результаты выполненных исследований явились основой для разработки метода инженерного расчета геометрических параметров сушильных камер и воздухораспределительных устройств распылительных сушилок.

Разработанный метод был применен при реконструкции сушильной установки УЯС-З, а также при разработке исходных требований на прямоточную распылительную сушильную камеру повышенной влагонапряженности производительностью 500 кг испаренной влаги в час.

Разработанный метод позволяет проводить также сравнительный анализ реальных, находящихся в эксплуатации сушильных установок, с точки зрения осуществления их модернизации или замены на новые.

Эффективность разработанного метода подтверждена на ООО «Лебедянь-молоко»

Результаты работы могут быть использованы при проведении исследований тепло- и массообменных процессов распылительной сушки.

Диссертационная работа выполнена соискателем лично, включая анализ литературно-информационных источников; определение методологии проведения

исследований; получение и обобщение теоретических и экспериментальных данных; формулирование выводов; внедрение разработанного метода на ООО «Лебе-дянь»; разработка исходных требований; подготовка публикаций. Соавторство по ряду этапов отражено в списке публикаций.

Апробация работы

Результаты работы доложены на Конференции-конкурсе «Университетский комплекс прикладной биотехнологии», г. Москва, 2008г.; на VII Международной научной конференции студентов и молодых ученых «Живые системы и биологическая безопасность населения», г. Москва, 2008г.; на Конференции-конкурсе научно-инновационных работ молодых ученых и специалистов «Отделения хранения и переработки сельскохозяйственной продукции» Россельхозакадемии, г. Москва, 2008г.; на 3-ей Конференции молодых ученых и специалистов Россельхозакадемии «Обеспечение качества и безопасности продукции агропромышленного комплекса в современных социально-экономических условиях», г. Москва, 2009г.; на Конкурсе «Эстафета поколений» среди молодых ученых, г. Москва, 2009г.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, литературного обзора, методической части, теоретической и экспериментальной части, обсуждения результатов, выводов, библиографического списка, содержащего 137 источников отечественной и зарубежной литературы, и приложений. Основная часть работы изложена на 141 страницах, содержит 13 таблиц, 62 рисунка, 4 приложения.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ОСНОВНЫХ

ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Методы сушки и сушильные установки

Сушка является едва ли не самым распространенным процессом удаления влаги из продуктов. При этом объектами сушки могут быть разнообразные материалы на различных стадиях их переработки. Конструкции сушилок, согласно мнению Анти-пова С.Т., Валашека Е.Р., Голубева Л.Г., Дытнерского Ю.И., Кретова И.Т., Лебедева П.Д., Леончика Б.И., Лурье М.Ю., Лыкова М.В., Острикова А.Н., Панфилова В.А., Сажина Б.С., Уракова O.A. [4, 19, 36, 37, 56, 67, 70, 69, 96], можно классифицировать следующим образом.

По способу подвода тепла: конвективные, контактные, высокочастотные (микроволновые), радиационные (инфракрасные), сублимационные.

В зависимости от давления сушильного агента в рабочем пространстве: атмосферные и вакуумные сушилки.

По характеру работы: сушилки периодического и непрерывного действия.

В зависимости от применяемого теплоносителя: сушилки, использующие воздух и сушилки на топочных газах.

По движению теплоносителя относительно высушиваемого материала: прямоточные, противоточные и сушилки смешанного тока.

По способу нагрева теплоносителя: сушилки с паровым, электрическим и газовым нагревом.

По конструктивным признакам: барабанные, коридорные, трубчатые, шахтные, скребковые, распылительные, вальцовые, ленточные и др.

Для сушки молочных продуктов наибольшее распространение получили распылительные сушилки. Основными достоинствами сушилок данного типа, как отмечают Белопольский М. С., Бильдюкевич В. Л., Леончик Б. И., Лыков М. В., Муштаев В. И., Фокин А. П., Möller Jens Thousig, Mujumdar A.S., Schuck P. [7, 9, 69, 71, 109, 134, 136, 142], являются: стабильность и простота осуществления процессов распыливания

и сушки, однородность высушенного порошкообразного продукта, минимальное термическое воздействие на продукт благодаря хорошему распределению распыленных частиц продукта в объеме теплоносителя, высокая растворимость готового продукта и сохранение в нем ценных составляющих, в том числе термочувствительных, возможность полного отделения высушенных частиц от отработанного теплоносителя. К недостаткам распылительных сушилок можно отнести их большие габариты и металлоемкость, а также недостаточно высокий к.п.д.

Распылительные сушильные установки можно классифицировать по следующим основным признакам (Кравченко Э.Ф., Леончик Б. И., Липатов H.H., Лыков М. В., Малюков С.А., Нестеренко П.Г., Плановский A.A., Филатов Ю.И., Харитонов В.Д., Храмцов А.Г.) [65, 69, 114, 117].

По способу распыления: дисковые и форсуночные.

По расположению сушильной камеры: вертикальные и горизонтальные.

По способу удаления высушенного продукта из сушильной камеры: установки со скребковым механизмом, с пневматическим уборщиком, установки с ленточными, шнековыми или вибрационными транспортерами, а также с гравитационным механизмом удаления продукта.

По способу очистки отработанного в сушильной камере теплоносителя: установки с циклонной очисткой, установки с фильтр-камерами и установки с устройствами мокрого пылеулавливания мелких частиц продукта.

На рис. 1.1-1.4 приведены функциональные схемы распылительных сушильных установок в соответствии с приведенной классификацией.

ч.

установок с верхней подачей продукта и нижним вводом теплоносителя (противоточная схема) [130]: а - центральный подвод теплоносителя; б - периферийный подвод теплоносителя.

Рис. 1.1. Функциональные схемы сушильных форсуночных

Горячий

воздух

Горячий

воздух

1 орячий воздух

Горячий

воздух

Распределение горячего воздуха

Рис. 1.2. Функциональные схемы сушильных дисковых и форсуночных установок с верхней подачей продукта [130]: о-дисковый распылитель, верхний периферийный ввод теплоносителя; б - дисковый распылитель, верхний центральный ввод теплоносителя; в - дисковый распылитель, комбинированный ввод теплоносителя; г - форсуночный распылитель, ввод теплоносителя через потолочный воздухораспределитель (а,б,в и г - прямоточная схема); д - дисковый распылитель, нижний центральный ввод теплоносителя (смешанная схема).

По мнению Kessler А. [130] для приведенных схем характерно равномерное поле скоростей по всему поперечному сечению камеры, что особенно актуально для противоточной сушки. С другой стороны, подобная организация процесса обеспечивает достаточное время пребывания частиц в контакте с горячим теплоносителем для полного их высушивания. Таким образом, одним из условий получения продуктов высокого качества является правильная организация потоков теплоносителя и продукта в рабочих камерах сушильных установок.

Исходя из тех же позиций, для сушилок с форсуночными распылителями Masters К. рассматривает схемы сушильных камер, приведенные на рис. 1.3 [133].

Р+А Р Р+А

г Д е

Рис. 1.3. Схемы сушильных камер прямоточных форсуночных установок с верхней подачей продукта и теплоносителя [133]: а - верхний центральный ввод теплоносителя; б - верхний тангенциальный ввод теплоносителя; в - горизонтальная сушильная камера; г, д - ввод теплоносителя через потолочный воздухораспределитель; е - верхний секционированный центральный ввод теплоносителя; А - вход и выход теплоносителя; Б - вход продукта; Р - выход продукта.

Схема на рис. 1.3,а предусматривает возможность использования как форсуночного, так и дискового распылителя. Конструкция на рис.1.3,б имеет тангенциальный вход теплоносителя, что обеспечивает высокую скорость потока около стенок сушильной камеры и сравнительно короткое время сушки. Горизонтальная сушилка (рис. 1.3,в) отличается наличием индивидуального воздухораспределителя для каждой форсунки. Это позволяет выбрать оптимальные режимы их работы. Воздухораспределители, приведенные на рис. 1.3,г и 1.3,д обеспечивают плоскопараллельный поток теплоносителя с помощью перфорированных пластин или направляющих лопаток. В сушилке на рис.1.3,е применен секционированный воз-

духораспределитель, позволяющий организовать в сушильной камере два потока теплоносителя с разными температурами. Такая конструкция предназначена для сушки некоторых термочувствительных продуктов с характерной морфологией поверхности частиц.

Приведенные на рис.1.1-1.3 схемы далеко не исчерпывают варианты организации потоков воздуха и продукта в рабочих камерах распылительных сушилок. Некоторые другие варианты дисковых сушилок показаны на рис. 1.4, а форсуночных - на рис. 1.5 (Андреева М.И., Кравченко Э.Ф., Кук Г.А., Лебедев П.Д., Липатов H.H., Петровский К.С., Плановский A.A., Филатов Ю.И., Харитонов В.Д., Храмцов А.Г.) [113, 51, 56, 65, 78, 90].

Рис. 1.4. Схемы сушильных камер с дисковым распыливанием [78]: а) и б) -верхний ввод теплоносителя через потолочный перфорированный в�