Технические науки. 3. Отраслевое машиностроение.

УДК 664.8; 664.9

О. О. Горюн, О. Ю. Материнська, І. В. Коц

Вінницький національний технічний університет

КОМБІНОВАНЕ ТЕРМОВАКУУМНЕ СУШІННЯ СИПУЧИХ

ОРГАНІЧНИХ МАТЕРІАЛІВ

Сушіння є складним тепломасообмінним технологічним процесом, який широко застосовується у різних галузях промисловості як завершальна стадія виробництва, від ефективної організації якої залежить якість та собівартість готової продукції. Значна кількість матеріалів, які підлягають сушінню, припадає на дисперсні. Енергетичні витрати на сушіння є досить суттєвими при існуючих методах зневоднення, тому що вони визначають собівартість, тривалість технологічного процесу, а також якість готового продукту. Інтенсифікація процесів сушіння, зменшення питомих енергетичних затрат є актуальними проблемами на сьогодні та потребують вирішення.

Аналіз відомих досліджень та публікацій [2 – 6] показав, що найбільш ефективним та перспективним методом сушіння сипучих органічних матеріалів є термовакуумний метод видалення вологи. Відомі конструкції пристроїв, які застосовуються для сушіння сипучих органічних матеріалів мають ряд недоліків: велику тривалість технологічного процесу, недостатньо високу продуктивність при значних енерговитратах, складність та значну вартість обладнання, окремі складові вузли сушильних відомих агрегатів мають низьку надійність і часто виходять з ладу та потребують додаткового обслуговування, а також спеціально навченого обслуговуючого персоналу.

Проведений аналіз відомих публікацій показав, що на даний час ще недостатньо висвітлено окремі питання, які пов’язані вивченню особливостей різноманітних процесів сушіння і відповідного устаткування для їх практичної реалізації, зокрема, відсутні рекомендації щодо термовакуумного сушіння органічних матеріалів.

Метою роботи є розробка нової конструкції установки для термовакуумного сушіння сипучих органічних матеріалів, а також підвищення ефективності процесу сушіння за рахунок використання запропонованого устаткування. Задача роботи полягала в огляді відомих способів, методів та пристроїв для сушіння органічних матеріалів і на основі здійсненого аналізу були запропоновані рекомендації щодо розроблення нового устаткування для термовакуумного сушіння органічних матеріалів.

Встановлено, що найбільш ефективним та перспективним методом сушіння сипучих органічних матеріалів є термовакуумний метод, який направлений на отримання високоякісного матеріалу при скороченій тривалості процесу сушіння і зниженні енергозатрат. Підвищення температури до необхідного значення сипучого органічного матеріалу здійснюється, переважно, за рахунок кондуктивно-конвективного нагріву матеріалу, після якого починається процес зниження тиску, що супроводжується інтенсивним випаровуванням вологи.

Процес термовакуумного сушіння обумовлений складним механізмом переміщення вологи в сипучому органічному матеріалі, який, в свою чергу, визначається формою і енергією зв’язку в матеріалі і відповідним режимом сушіння. Волога полімолекулярної і мономолекулярної адсорбції переноситься всередині матеріалу в основному у вигляді пари, тобто сушіння відбувається за рахунок молекулярного переносу пари, що і визначає відповідний характер зменшення вологості сипучого органічного матеріалу.

Для вибору та розробки найбільш раціонального устаткування для термовакуумного сушіння органічних матеріалів було здійснено огляд та аналіз існуючих конструкцій сушарок і на основі цього була розроблена і запропонована нами нова вібраційна установка для сушіння органічних матеріалів [1].

В результаті послідовної періодично-повторюваної силової взаємодії вібраторів та газорозподільної решітки, шар сушильного матеріалу перебуває у флюїдизованому віброкиплячому стані. При цьому крізь сушильний матеріал надходить потік сушильного агента – гарячого повітря через магістраль вводу від підігрівального калорифера. В підігрівальний калорифер повітря подається нагнітальним вентилятором, який всмоктує повітря із навколишнього середовища. Після обдуву сушильного матеріалу гарячим повітрям, вмикається вакуумна система і через вакуумну лінію здійснюється розрідження тиску в теплоізольованій сушильній камері, яка герметична завдяки секторним затворам-дозаторам.

Процес сушіння здійснюється в поступово-змінному режимі «прогрів-вакуум». При інтенсивному перемішуванні забезпечується рівномірне нагрівання та сушіння окремих часток оброблюваного матеріалу, тобто відбувається активний процес тепломасообміну. В результаті цього відбувається швидке та рівномірне сушіння вологого матеріалу.

Термовакуумне сушіння сипучих органічних матеріалів у псевдозрідже-ному шарі можна описати за допомогою загальних рівнянь матеріальних і теплових балансів:

1. Конвективне сушіння. Матеріальний баланс:

Зміна маси сировини:

М_о= М_пр1 +М_вид1 + М_вид2, (1)

Зміна маси сушильного агенту:

М_са1 + М_вид2 = М_са2, (2)

Тепловий баланс:

Q_{вх 1} = Q_{нагр.мат1} + Q_{нагр.констр.1} + Q_{втр. са1} + Q_{втр. констр.1} . (3)

М_о – маса завантаженої вологої сировини; М_пр1 – маса отриманої проміжної продукції; М_вид1 – маса видаленої фізичної вологи, що знаходиться на поверхнях окремих частинок матеріалу і в проміжках між ними; М_вид2 – маса видаленої вологи із відпрацьованим сушильним агентом; М_са1 – маса сушильного агенту, що надходить в сушильну камеру; М_са2 – маса відпрацьованого сушильного агенту; Q_вх1 – вхідна теплова енергія,що надходить з сушильним агентом; Q_{нагр.мат1} – витрата теплової енергії на нагрів вологої сировини; Q_{нагр.констр1} – витрата теплової енергії на нагрів металоконструкцій сушарки; Q_втр.са1 –теплова енергія, яка видаляється за межі робочого простору сушарки разом із відпрацьованим сушильним агентом; Q_{втр.констр1} – теплової енергії, яка видаляється випромінюванням через огороджуючі конструкції.

2. Вакуумне сушіння. Матеріальний баланс:

Зміна маси проміжного продукту:

М_пр1 = М₂ + М_вид3, (4)

Зміна маси сушильного агенту:

М_са3 + М_вид3 = М_са4, (5)

Тепловий баланс:

Q_{нагр.мат2} + Q_{нагр.констр2} + Q_са2 + Q_{втр.констр2}= Q_вак. (6)

Q_вак– витрата теплової енергії на вакуумування; Q_{нагр.мат2} – теплова енергія, що надходить від нагрітого проміжного сировинного матеріалу; Q_{нагр.констр2} – теплова енергія, що надходить від нагріву металоконструкцій сушарки; Q_са2 – теплова енергія, що надходить від відпрацьованого сушильного агента в сушильній камері; Q_{втр.констр2}– теплова енергія, що надходить від випромінювання через огороджуючі конструкції сушарки.

Висновок

1. Висвітлено сучасний стан питання з сушіння сипучих органічних матеріалів. Здійснено аналіз відомих способів, методів та пристроїв, які використовуються при сушінні та видалені вологи органічних матеріалів.

2. На основі здійсненого аналізу, встановлено, що найбільш ефективним та перспективним методом сушіння органічних матеріалів є термовакуумне сушіння. Запропоновано та розроблено нове устаткування для сушіння, яке усуває вищезгадані недоліки та забезпечує якісне видалення вологи з органічних матеріалів.

3. Для запропонованого устаткування наведені рівняння теплових і матеріальних балансів, які дозволяють описати основні процеси, що відбуваються при сушінні органічних матеріалів.

Література

1. Патент 77058 Україна, МПК F26B 17/10. Термовакуумна вібросушарка сипучих органічних матеріалів / І. В. Коц, С. В. Богатчук; заявник і патентовласник ВНТУ. – u201208812; Заявл. 17.07.2012; Опубл. 25.01.2013, Бюл. № 2.

2. Муштаев А.И. Сушка дисперсныхматериаллов в химической промышленности / А. И. Муштаев. – М.: Химия, 1979. – 287 с.

3. Романков П.Г. Массообменные процессы химической технологии / П. Г. Романков, Н. Б. Рашковская, В. Ф. Фролов. – М. : Химия, 1975, 233 с.

4. Лыков А.В. Теория сушки / А. В. Лыков. – М. : Энергия, 1968. – 472 с.

5. Антипов С. Т. Тепло- и массообмен при конвективной сушке вдвижущемся слое продукта / С. Т. Антипов //Модернизация существующего и разработка новых видов оборудования для пищевой промышленности : Сб. науч. тр. / Воронеж. гос. технол. акад. –Воронеж, 2003. – Вып. 13. – С. 6-9.

6. Атаназевич В. И. Сушка пищевых продуктов / В. И. Атаназевич. – М. : 2000. – 198с.