Особенности сушки зерна в кипящем слое

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

АО «Казахский агротехнический университет им. С.Сейфуллина»

Особенности сушки зерна в кипящем слое

Достияров А.М., профессор кафедры теплоэнергетики, д.т.н.,

Баубеков К.Т., зав. кафедрой теплоэнергетики, д.т.н., ассоц. профессор,

Медетова Л., соискатель

Для Казахстана вопросы сушки сельскохозяйственных продуктов имеют важное значение, так как основные посевы осуществляются в северных областях и в период уборки трудно избежать дождей. Для проведения сушки сельскохозяйственного сырья разработаны различные методы и приемы сушки за основу классификации, которых обычно принимают способы передачи тепловой энергии просушиваемому зерну. В современных установках наиболее часто тепло передают от перемещающегося агента сушки: нагретого в калориферах воздуха или горячей смеси воздуха с топочными газами. Сушильные установки в кипящем слое чрезвычайно разнообразны как по конструкции, так и по назначению. В этих установках можно одновременно проводить несколько процессов: сушку и обжиг, сушку и разделение по размерам частиц, сушку и гранулирование и т. д. Все сушильные установки можно классифицировать следующим образом: по количеству зон -- однокамерные и многокамерные; по характеру движения материала -- с направленным и ненаправленным движением от места загрузки материала к месту его выгрузки; по использованию теплоносителя -- однократное и многократное; по конфигурации сушильной камеры -- круглые, прямоугольные и т. д. Применяемые сушильные установки “кипящего” слоя можно разделить по количеству секций на две группы: одно- и многокамерные.

Однокамерные сушильные установки наиболее просты в конструктивном и эксплутационном отношениях, обладают самыми высокими экономическими показателями, лучше всего поддаются автоматизации. Современное развитие сушильной техники для зерна характеризуется разработкой новых конструкций сушильных установок.

По форме сушильные установки “кипящего” слоя разделяются на аппараты с постоянным сечением и с расширяющимся сечением по высоте камеры. И те, и другие могут быть как круглыми, так и прямоугольными. В сушильных установках постоянного сечения разница в скоростях ожижающего сушильного агента у решётки и вверху аппарата достигается лишь вследствие разности температур сушильного агента. При высоких температурах поступающего сушильного агента отношение этих скоростей может достигать 3-4 (скорости отнесены к полному сечению аппарата), что позволяет обеспечить “кипение” частиц, различающихся по фракционному составу.

Изучению тепломассообмена в кипящем слое посвящено очень много работ, однако, до настоящего времени нет единого мнения о количественных закономерностях этих процессов. Объясняется это сложностью экспериментов и определений основных величин, а также зависимостью результатов опытов от размеров аппарата, поскольку процесс трудно моделируется. Результаты опытов зависят и от того, получены ли они на установках периодического или непрерывного действия, и от метода усреднения размера частиц, движущей силы процесса, от учета градиента температур внутри частиц и т. д.

Математическая модель процесса сушки должна базироваться не только на уравнениях тепломассообмена, но и включать фундаментальные соотношения материального и теплового балансов.

В кипящем слое каждая частица интенсивно омывается потоком газа. Скорость омывания имеет переменный пульсирующий xapaктеp, что интенсифицирует тепло- и массообменные процессы. В процессе происходит соударение частиц и вследствие этого турбулизация пограничного слоя. В единице объема аппарата одновременно находится большое количество частиц, поверхность которых участвует в теплообмене. Одним из важнейших параметров, определяющих эффективность сушильной установки, является её гидравлическое сопротивление, которое складывается из сопротивлений газораспределительной решетки и слоя материала.

При прохождении газового потока через слой дисперсного материала на частицы действуют силы давления, которые возрастают по мере увеличения скорости газов. В диапазоне скоростей газа, при которых сила давления меньше силы тяжести слоя материала, последний остается в спокойном состоянии. Твердые частицы находятся в тесном соприкосновении друг с другом, расстояние между ними и объём слоя остаются постоянными. С повышением скорости газового потока, когда сила давления становится равной силе тяжести материала, он приобретает новые свойства и такое состояние называется кипящим. В этом случае объём слоя несколько увеличивается, частицы движутся в определённых пределах этого объёма. Частицы материала находятся в кипящем состоянии в довольно широком диапазоне изменения скорости газового потока. При дальнейшем повышении скорости газов начинается унос частиц из слоя. Кипящий слой является переходной гидродинамической областью с неустойчивыми режимами движения частиц материала.

С увеличением скорости газа в состоянии кипения сопротивление слоя практически не изменяется и приближённо равно его весу. При повышения скорости на границе спокойного и кипящего слоев наблюдается скачок гидравлического сопротивления. При уменьшении же скорости сушильного агента, т.е. при переходе от кипящего состояния к спокойному, такого скачка не наблюдается. Это явление можно объяснить тем, что для приведения частиц в движение необходимо затратить дополнительную энергию на преодоление поверхностных сил сцепления. Величина скачка зависит от размеров частиц, их укладки и состояния поверхности. С увеличением скорости сушильного агента порозность и высота слоя непрерывно увеличиваются; обычно в практических условиях значение порозности в этой области изменяется в пределах 0,55 - 0,9. В кипящем слое каждая частица интенсивно омывается потоком газа. Скорость омывания имеет переменный пульсирующий xapaктep, что интенсифицирует тепломассообменные процесссы. В процессе кипения происходит соударение частиц и вследствие этого турбулизация пограничного слоя. В единице объема аппарата одновременно находится большое количество частиц, поверхность которых участвует в теплообмене.

Одним из важнейших параметров, определяющих эффективность сушильной установки, является её гидравлическое сопротивление, которое складывается из сопротивлений газораспределительной решетки и слоя материала. В результате воздействия сушильного агента на слой зерна, находящегося на газораспределительной решётке, действуют силы: сила противодействует движению твердого тела в жидкости (газе), или потоку, обтекающему неподвижное тело. Она направлена против движения и может быть определена по уравнению Ньютона [1]:

P= (1)

Коэффициент лобового сопротивления зависит от формы тела и режима движения, определяется опытным путем.

Для тел правильной геометрической формы (кубики, цилиндры, плоские диски и др.) опытные значения не поддаются точному обобщению эмпирическими формулами. Ряд численных значений приведен в справочнике. Можно рассчитать значения для частиц неправильной геометрической формы по формулам (1), учитывая коэффициент сферичности ,= т.е. коэффициент сферичности представляет собою отношение поверхности шара, равновеликого частице неправильной формы , к действительной поверхности этой частицы F. Если объем частицы неправильной формы равен V, то

Fэ=р(і?6V/р)-2 = 4.87V2/3 и цс = 4,87(V2/3/F) (2)

Величина F очень редко поддается прямому измерению и чаще всего определяется экспериментально путем сопоставления перепадов давления при ламинарном движении газа через неподвижные слои сферических и исследуемых частиц [1]:

-для ламинарного режима

=24Re (3)

-для турбулентного режима

=5,31 (4)

Рассматривая движение шарообразной частицы диаметром , под действием силы тяжести в неподвижной жидкости авторы [2, 125-131], принимая начальную скорость равной нулю, авторы показали что падающая частица будет двигаться с ускорением до того момента, когда сила сопротивления среды уравновесит силы тяжести и Архимеда. Начиная с этого момента, частица будет падать с постоянной скоростью , носящей название скорости свободного осаждения. На рассматриваемую частицу действуют ее вес, подъемная (Архимедова) сила и сила гидродинамического сопротивления.

Подставляя соответствующие значения , можно найти по уравнению скорость при всех режимах движения. Для приближенного определения применяют универсальную формулу Тодеса [2, 125-131]:

(5)

Потеря давления ?Р в сушильной камере с высотой кипящего слоя Н складывается из статического давления столба твердых частиц и газа (?), потерь на трение потока транспортирующего агента о стенки (?), трения между твердыми частицами и транспортирующим агентом () и ускорения частиц на разгонном участке (?) [1]:

?Р=?+?++? (6)

Потеря давления газа на преодоление статического давления столба твердых частиц:

? (7)

В случае транспорта высушиваемого материала за счёт тангенциальной составляющей сушильного агента, которым чаще всего является воздух, величина очень мала, поэтому:

? (8)

Метод теоретического расчета величины ? пока отсутствует и в инженерных расчетах используют эмпирические формулы для определения суммы ? +?. Одна из таких формул для стабилизированного участка имеет следующий вид:

? +?, (9)

Где

лс =[0.2+0.88Cd/(1+ Cd)2]Reтр-0,2, (10)

 и - высота и диаметр сушильной камеры; - массовые расходы несущей среды и твердого материала; - площадь газораспределительной решетки, - скорость газового потока, причем базирующийся на диаметре сушилки, - критерий Рейнольдса.

Величина

?=1.55 (11)

При горизонтальном пневмотранспорте перемещаемые твердые частицы имеют не только горизонтальную составляющую скорости , но и вертикальную, обусловленную силой тяжести. Между величиною и средней скоростью несущего потока W существует следующая зависимость [1]:

Wгор/W=[1-0,02(ст/ сг-1)2/3(d/dэф)2/3(1+200/Fr-Fr0)]-1 (12)

где Fr, - определяется по средней скорости потока и по скорости свободного осреднения . Минимальное гидравлическое сопротивление выбирается из условия обеспечения равномерного кипения в виде отношения сопротивления решетки к сопротивлению слоя. В [3] это отношение представлено в виде зависимости

(13)

Величины k и r характеризуют скорость газа и высоту кипящего слоя, которые рекомендуется выбирать по данным М.Лева [3]. В [3] для кипения тонких слоев рекомендуется соблюдать условие

Исходя из условия равенства силы гидродинамического давления со стороны газа на частицы и силы их тяжести, противодействующей кипению слоя, Н.И.Гельперин с сотрудниками предложил следующее соотношение [4, 664]:

? (14)

Это соотношение широко используется при гидравлических расчетах аппаратов с обычными кипящими слоями. Очевидно, что для перемещающегося кипящего слоя формула (14) будет давать заниженные результаты, поскольку потребуются дополнительные затраты энергии на изменение кинетической энергии слоя. В работах [5,116; 6, 32] проведены экспериментальные исследования гидравлического сопротивления кипящего слоя, перемещающегося снизу вверх вдоль наклонной газораспределительной решетки. Угол наклона решетки в опытах составлял 20°. В результате аппроксимации опытных данных было получено следующее критериальное соотношение сопротивления системы "решетка + слой":

Eu=19,78 (15)

Соотношение (15) справедливо в диапазоне: 600 < Re < 4250, 500 < Fr < 13200 и ограничено в применении, так как не учитывает влияние угла наклона жалюзийной решетки. В случае перемещения кипящего слоя вдоль кольцевой газораспределительной решётки в работе [7, 133] верхний предел существования слоя ограничен скоростью уноса частиц, которая определяется из соотношения [8, 664]:

(16)

Скорость движения вдоль решётки твёрдой фазы в кипящем слое зерна имеет вид [9, 32]:

Wт = Сt vсrх02tgв0rcрр(r2ир - rвн2)/Мт (17)

В работе [9, 32] было получено в результате обработки экспериментальных данных соотношение для безразмерного коэффициента , связывающего неизвестные величины k, , :

Сt = 0,0383Fr0.25(сф/сr)0,67(НM/dэ)0,46 вф-1,65 (18)

Приведём известные в настоящее время некоторые критериальные зависимости, которые обобщают результаты исследований различных авторов по сушке зерна в кипящем слое.

Исследовав теплообмен в кипящем cлое зерна, автор [9, 32] предложил уравнение:

Nu=0,21 (19)

В [13, 472] А.В. Лыковым получено уравнение кинетики влагоотдачи, согласно которому кривая скорости сушки во втором периоде заменяется прямой, т.е. применяется пропорциональная зависимость между скоростью сушки и влагосодержанием материала:

(20)

В работе [10, 32] получено уравнение для расчета продолжительности сушки :

, (21)

где - постоянные коэффициенты, - начальная высота слоя, - соответственно температура газа и температура дрожжей.

Для различных технологических режимов авторами [11, 46-49; 10, 32] было получено уравнение кинетики процесса сушки хлебопекарных дрожжей в кипящем слое:

Wk = Wp + (Wн-Wp)exp{-[a,Т-0,4ц-0,6v3(G/F)-1,3ф]ф}, (22)

где - начальная, конечная и равновесная влажность дрожжей, %; - время сушки, мин. Коэффициенты определены статистическими методами и постоянны на протяжении всего процесса.

По результатам теплотехнических испытаний сушилки с кипящим слоем получено уравнение кривой сушки [13, 75]:

wc2 = wcp + (wc1 - wcp)exp - [0,0002(Т - 273)3 - 0,0264(Т - 273)2 + 0,2521(Т - 273)+3774] 0,037 ф , (23)

Решив уравнение (23) относительно , можно рассчитать продолжительность сушки в каждой секции:

(24)

Расхождение между экспериментальными и расчетными данными не превышало 0,3 %. Уравнение (23) рекомендуется для практического пользования в диапазоне температуры сушильного агента 303...328К при относительной влажности воздуха ц=24...40 %.

Выводы

Таким образом, аналитические исследования показывают, что достаточно большой объем тепла, теряемого в сушильных установках, дает возможность рассмотреть технологические и экономические аспекты этого вопроса и совершенствовать конструкции сушильных установок путем расчетного определения параметров сушки зерна в кипящем слое.

Список литературы

1. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химическойтехнологии. М.: Химия, 1981.

2. Горошко В.Д., Розенбаум Р.Б., Тодес О.М. Приближенные закономерности гидравлики взвешенного слоя и стесненного падения // Изв.вузов: Нефть и газ. 1958. Т.1. № 1. с. 125-131.

3. Девидсон Д. Псевдоожижение. М.: Химия, 1974.

4. Гельперин Н.И., Айнштейн В.Г., Кваша В.Б. Основы техники псевдоожиженния. М.: Химия, 1967. 664 с.

5. Бараков А.В. Процессы и аппараты с перемещающимся псевдоожиженным слоем. Воронеж: ВГТУ, 2004. 116 с.

6. Бараков А.В. Моделирование гидродинамики и теплообмена в перемещаюш,емся псевдоожиженном слое. Дис. автореферат. Воронеж, 2005. 32с.

7. Агапов Ю.Н. Научное обоснование и разработка высокоэффективных теплообменных аппаратов для утилизации газообразных и вторичных энергетических ресурсов: Монография. Воронеж: ВГТУ. 2003. 133 с.

8. Гельперин Н.И., Айнштейн В.Г., Кваша В.Б. Основы техники псевдоожиженния. М.: Химия, 1967. 664 с.

9. Агапов Ю.Н. Моделирование и разработка методов расчета процессов гидродинамики и тепломассообмена в аппаратах с кипящим слоем. Дис. автореферат. Воронеж, 2005. 32 с.

10. Шишацкий Ю.И. Моделирование и разработка методов расчёта

кинетики тепло- и массообменных процессов в аппаратах микробиологического производства // Автореф. Воронеж, 1998. 32 с.

11. Кретов И.Т., Шишацкий Ю.И., Денисов Г.А. Разработка модели кинетики сушки хлебопекарных дрожжей в кипяш,ем слое // Процессы Управления и аппараты пищевой технологии: Межвуз. сб. науч.тр.Ленингр.технол. ин-т холодильной пром-сти. Д., 1989. С.46-49.

12. Гинзбург А.С, Скверчак В.Д. Современные способы расчета и проектирования процесса сушки зерна: Обзор. М: ЦНИИТЭИМигаза СССР,1980. 75 с.

13. Лыков А.В. Теория сушки. М., Энергия, 1968. 472 с.

Размещено на Allbest.ru