ОСНОВЫ ТЕОРИИ процесса сушки зерна 1. Способы сушки и классификация зерносушилок 3 курс 2. Статика и кинетика процесса сушки 3. Тепло и влагообмен в процессе сушки 4. Общая схема расчета сушилок. Уравнение баланса материала 5. Общая схема расчета сушилок. Уравнение баланса влаги и расход агента сушки. 6. Общая схема расчета сушилок. определение расхода тепла
1. СПОСОБЫ СУШКИ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЗЕРНОСУШИЛОК Существует два принципа удаления влаги: без испарения и с испарением ее. Первый принцип это фильтрация, прессование, центрифугирование, то есть механические способы или сорбци онный способ (смешивание с влагопоглощающим веществом) применяется либо при очень большом переувлажнении, либо при нетерпимости семян к нагреву (фасоль, соя, вика, чечевица).
Второй принцип это тепловая сушка. В него входят такие спосо бы, как конвективный, кондуктивный или контактный, радиаци онный, электрический, молекулярный, комбинированные. Конвективный способ это нагретый воздух, чаще в смеси с топочными газами, называемый агентом сушки, проходит сквозь материал и играет роль теплоносителя и влагопоглотителя.
Кондуктивный, или контактный способ это когда материал контактирует с нагретой металлической поверхностью. Радиационный способ это сушка солнечными лучами или инфракрасными лучами искусственного происхождении. Электрическая сушка это применение ТВЧ. Материал яв ляется диэлектриком, его помещают между двумя пластинами (обкладками конденсатора), поле ТВЧ поляризует его молекулы, приводит их в колебательное движение, нагревает, и влага испаряется.
Молекулярная сушка, или сублимация, проводится в глубо ком вакууме. Испарение влаги приводит к потере тепла и к замораживанию. Оставшаяся влага выходит кристалликами на поверхность, начинают подогревать материал, и влага испаряется, минуя жидкую фазу. Наиболее распространен конвективный способ, так как он дает наилучшую равномерность нагрева всех слоев материала, оборудование
несложное, энергозатраты сравнительно неболь шие из за того, что КПД выше, чем у других способов. Рассмот рим зерносушилки, работающие по этому способу. Конвектив ный пособ имеет много с конструктивных реализаций. Сушка зерна в неподвижном слое характеризуется тем, что скорость зерна равна нулю, а скорость воздуха меньше скорости витания. Это сравнительно небольшие и простые установки, они мало распространены
из за неравномерности нагрева зерна, не пригодности к поточному производству, так как являются уста новками периодического действия. Это сушилки стеллажные, лотковые, камерные, ленточные, платформенные, жалюзийные, вентилируемые бункеры. Сушка зерна в подвижном слое. При этом способе скорость зерна больше нуля, скорость теплоносителя меньше скорости ви тания. Установки для сушки зерна в подвижном слое наиболее распространены. Это шахтные и барабанные сушилки, реже вибрационные.
Сушка зерна в «кипящем» слое производится в аэрофон танных сушилках и в сушилках с псевдоожиженным состоянием зерна. Аэрофонтанная сушилка имеет рабочую камеру в форме усеченного конуса, расходящегося кверху. Теплоноситель и зер но подаются снизу. Скорость воздуха внизу выше, а наверху ниже скорости витания. Воздух поднимается по центру и захватывает зерно, которое опускается по образующим конуса. Зерно увлека ется в вихревое движение и по мере под сыхания теряет вес и поднимается
вихрем все выше, пока не уносится воздухом за пределы камеры. Недостаток таких сушилок неравномерность сушки. Сушилки с псевдоожиженным слоем зерна имеют более равномерный процесс. Влажное зерно подается на решето, про дуваемое теплоносителем. При скорости воздуха около 2 м/с давление слоев друг на друга почти исчезает, подъемная сила возду ха привадит зерно в состояние, напоминающее кипение, то есть в псевдоожиженное состояние. Высушенные зерна группируются в верхнем слое и выходят из сушилки. Сушка происходит быстро: за 11 минут влажность снижается с 25 до 18%.
Сушка зерна во взвешенном состоянии происходит в пнев мотрубах во время транспортирования. Скорость воздуха намно го больше скорости витания, его температура 250. . . 260°, про должительность сушки 5. . . 6 секунд, влажность снижается при мерно на один процент, а зерно успевает прогреться до 35°.
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ РЕЖИМЫ СУШКИ По агротехническим требованиям , на длительное хранение засыпается зерно с влажностью до 14%. Влажность свежеубранного зерна нередко составляет 20. . . 30%. Для естественной сушки зерно рассыпают слоем 10. . . 15 см и периодически перелопачи вают или перебрасывают зернопультом. Естественную сушку применяют, если влажность зерновой смеси не превышает 20%. Более влажное зерно сушат в сушилках.
В барабанных сушилках температура теплоносителя 180. . . 220° для продовольственного зерна и 100. . . 160° для семян. Нагрев продовольственной пше ницы не должен превышать 55°, а семенной 48°. В шахтных су шилках температура теплоносителя 100. . . 140°, продовольствен ное зерно можно нагревать до 50°, семенное – да 45°, то есть не сколько ниже, чем в барабанных, так как продолжительность пребывания зерна в нагретом состоянии здесь более высокая.
3 а один пропуск разрешается уменьшить влажность не более, чем на 6. . . 8%. Но это ориентировочные условия, которые уточняются в зависимости от культуры и от продолжительности процесса сушки. Из многих физических свойств зерна, влияющих на выбор параметров сушки (например, теплоемкость, теплопроводность,
температуропроводность, влагоотдающая способность и т. д. ), выделим его гигроскопичность, которая определяет очень важный показатель– равновесную влажность зерна. Равновесная влажность – это устойчивая предельная влажность, к которой стремится зерно при данной относительной влажности воздуха. Для зерен злаковых культур равновесная влажность при температуре воздуха 15° характеризуется таблицей 1.
Если, к примеру, относительная влажность воздуха в период уборки колеблется от 80 до 85%, то с помощью вентилирования наружным воздухом невозможно снизить влажность зерна до 14% , так как для этого нужен воздух с влажностью около 70%. Если естественная сушка не возможна, то применяют сушилки.
ТАБЛИЦА 1. ВЗАИМОСВЯЗЬ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА И РАВНОВЕСНОЙ ВЛАЖНОСТИ ЗЕРНА Относительная влажность 20 30 40 50 60 70 80 90 92 воздуха, % Равновесная влажность зерна, % 7 9 11 12 13 14 16 20 Окол о 40
1. СТАТИКА И КИНЕТИКА ПРОЦЕССА СУШКИ Процесс сушки заключается в подводе тепла к высушиваемому материалу и испарении влаги из него в окружающую среду. В сушилках конвективного действия окружающей средой служит агент сушки — смесь топочных газов с воздухом или подогретый в калорифере воздух.
СТАТИКА ПРОЦЕССА СУШКИ Статика процесса сушки изучает взаимодействие влажных материалов с агентом сушки независимо от времени. Процесс перемещения влаги от высушиваемого материала к агенту сушки или от агента сушки материалу (влагообмен) зависит от физико химических свойств обоих компонентов.
Важным свойством в этом процессе является гигроскопичность материала, т. е. способность его отдавать и поглощать влагу. Влажный материал, находясь в сухом агенте сушки, постепенно отдает ему часть влаги в виде пара, и, наоборот, сухой материал может по глощать одяные пары в из окружающего агента сушки.
Процесс испарения влаги из материала (десорбция) может происходить в том случае, если парциальное давление водяного пара у по верхности материала больше, чем давле ние пара в окружающем агенте сушки. В противном случае произойдет поглоще ние водяных паров материалом из агента сушки (сорбция). Если давление пара у поверхности материала и в агенте сушки одинаково, влагообмен между матери алом и агентом сушки не происходит.
Такое состояние называется равновесной влажностью материала. Если относительная влажность аген та сушки озрастёт, возрастёт и в парци альное давление пара в агенте сушки, следовательно равновесное состояние на рушится влажность и материала будет увеличиваться за счет сорбции влаги из агента сушки
Поглощение материалом влаги из агента сушки может происхо дить лишь до гигроскопической влаж ности, под которой понимается влаж ность материала при полном насыщении агента сушки влагой (когда относительная влажность воздуха равна 100%). Равновесное состояние нарушается также при снижении влажности агента сушки. Влажность материала при этом уменьшается за счет испарения влаги в окружающий агент сушки.
Снижение влажности материала может происходить лишь до тех пор, пока не удалится свободная (гигроскопическая) влага. Влага, физико химически связанная с материалом, остается в нем. Процессы влагообмена между материалом и воздухом протекают медленно. Для ускорения процесса сушки необходимо увеличивать парциальное давление водяного пара у поверхности материала и уменьшать давление пара в окружающей среде. Достигается этот эф фект нагревом материала и агента сушки.
КИНЕТИКА ПРОЦЕССА СУШКИ ЗЕРНА Кинетика процесса сушки рассматривает взаимодействие влажного материала и агента сушки с учетом времени сушки. Характеризовать процесс сушки при этом целесообразнее в виде графиков. По оси абсцисс (рис. 1) отложено время Т сушки, по оси орди нат — влажность материала, отнесенная к массе сухого вещества W, и температура нагрева материала. Кривая 2 показывает характер из енения температуры м материала во времени.
1 – изменение влажности зерна за время Т; 2 – изменение температуры зерна за время Т. Рисунок 1. Кривые процесса сушки
1 – изменение влажности зерна за время Т; 2 – изменение температуры зерна за время Т. Рисунок 1. Кривые процесса сушки
Кривая 1 характеризует изменение влажности во времени W=f(Т), из графика можно получить кривую 3 изменения скорости сушки в зависимости от влажности материала (рис. 2). С повышением температуры материала влага с его поверхности начнет испаряться интенсивнее. Концентрация ее во внутренних слоях материала станет выше, чем на поверхности. Это вызовет перемещение влаги из внутренних слоев к поверхности материала.
КИНЕТИКА СУШКИ ЗЕРНА Рисунок 2. Кривая скорости сушки зерна
ПРОЦЕСС СУШКИ ЗЕРНА Процесс сушки можно разделить на три периода. В первый период OA происходит прогрев материала; влаж ность его в этот период изменяется мало. Скорость сушки (кривая 3) увеличивается от 0 до ее максимального значения. Во второй период А В влага с поверхности материала испаря ется аналогично испарению воды с открытой поверхности, т. е. все подводимое тепло расходуется на испарение влаги.
Температура ма териала остается постоянной. . Влажность материала изменяется почти по прямой линии . Поэтому скорость сушки , определяемая в каждой точке как тангенс угла наклона касательной к кривой суш ки , 1 остается постоянной (горизонтальная прямая ). В третий период ВС влажность материала медленно снижается. По мере расхода влаги из внутренних слоев материала скорость сушки падает.
ТРЕТИЙ ПЕРИОД СУШКИ ЗЕРНА Наступает несоответствие между количеством испаряющейся влаги с поверхности и поступающей из внутренних слоев материала. Уменьшение интенсивности испарения влаги с поверхности вызы вает повышение температуры материала. В конце периода сушки на ступает равновесная влажность материала, сушка прекращается, ско рость сушки становится равной нулю.
ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ВЫДЕРЖКИ ЗЕРНА В НАГРЕТОМ СОСТОЯНИИ Как уже отмечалось выше, температуру нагрева зерна в процессе сушки следует ограничивать, чтобы не нарушать его биологические свойства. Допускаемая температура нагрева зави сит от влажности зерна и от продолжительности выдержки зерна в нагретом состоянии. По С. Д. Птицыну, она рассчитывается по формуле
где допустимая температура нагрева зерна, град. ; W относительная влажность зерна, %; t продолжительность нахождения зерна в нагретом со стоянии до необходимой температуры , мин Графически эта зависимость выглядит семейством убываю щих кривых ( ис. 3). р
Рисунок 3. Номограмма для определения допустимой температуры нагрева в зависимости от влажности материала и продолжительности сушки.
3. ТЕПЛО И ВЛАГООБМЕН В ПРОЦЕССЕ СУШКИ Сушка влажных материалов заключается в подводе влаги из внут ренних слоев материала к его поверхности, испарении влаги с поверх ности материала в окружающий агент сушки и отводе водяных паров от высушиваемого материала. В сушилках конвективного типа нагретый газообразный агент суш ки отдает высушиваемому материалу тепло,
необходимое для испарения влаги, и затем поглощает испаряющуюся из материала влагу. Между агентом сушки и материалом происходит процесс тепло и влагообмена. Некоторые закономерности простейшей сушки испа рения влаги с поверхности материала можно рассмотреть аналогично испарению воды со свободной поверхности:
где т — скорость испарения влаги в кг с 1 м 2 поверхности; Рп , РА. С — парциальные давления водяного пара соответственно у по верхности материала и в окружающем агенте сушки, Па; b— барометрическое давление, Па;
k B — коэффициент влагообмена между поверхностью материала и окружающим агентом сушки, зависящим от значения и на правления скорости движения агента сушки относительно материала, кг/ .
Анализируя уравнение (3. 1), можно заметить, что скорость сушки растет с увеличением разности парциальных давлений паров воды на поверхности материала и в агенте сушки РП—РА. С. Увеличения РП—РА. С можно достичь за счет роста РП при повышении температуры нагрева влажного материала. Следовательно,
скорость сушки увели чивается при повышении температуры высушиваемого материала до пределов, ограничиваемых его термоустойчивостью. Увеличение разности РП —РА. С может быть достигнуто также умень шением величины парциального давления РА. С. Для этого необходимо уменьшить относительную влажность агента сушки.
С увеличением поверхности испарения при прочих равных условиях возрастает количество испаряемой влаги в единицу времени. Увеличе ния площади испарения зернового вороха , а следовательно, и ско рости сушки их можно достичь при использовании разрыхленного или взвешенного слоя.
При этом уменьшаются площади контактов отдель ных зерен и соответственно увеличивается общая активная площадь тепло и влагообмена. Разрыхленное и взвешенное состояние зернового слоя используется в вибрационных, аэрофонтанных и пневмогазовых сушилках.
С увеличением барометрического давления растет парциальное давление водяных паров, так как парциальное давление сухого воздуха, Па. Следовательно, скорость испарения влаги из материала при этом уменьшается. Для интенсификации процесса сушки целесообразно использовать вакуумные сушилки.
4. ОБЩАЯ СХЕМА РАСЧЕТА СУШИЛОК В задачу расчета сушилок входит определение количества удаляемой влаги, расхода теплоносителя и расхода теплоты. Сушилка состоит из топки, сушильной камеры и охладите ля(рис. 4. 1).
Рисунок 4. 1. Параметрическая схема сушилки
ПАРАМЕТРЫ НАРУЖНОГО ВОЗДУХА Наружный воздух поступает в топку с параметрами: темпера турой относительной влажностью , %; влагосодержанием , г/кг сух. в. и теплосодержанием (энтальпией) , к. Дж/кг. Смешиваясь с топочными газами, воздух образует теплоноситель, или агент сушки, с параметрами
Одновременно с агентом сушки в сушильную камеру поступает влажный материал со следующими параметрами: G 1— подача зерна или мас совый расход, кг/ч; —температура, °С; — влажность, %.
ПАРАМЕТРЫ ЗЕРНА И АГЕНТА СУШКИ ПРИ ВЫХОДЕ ИЗ СУШИЛЬНОЙ КАМЕРЫ В сушильной камере часть тепла агента сушки передается материа лу, а влага из материала переходит в агент сушки. В результате тепло и влагообмена параметры материала при выходе из сушильной камеры станут а, агента сушки
В охладительную камеру поступает наружный воздух с парамет рами . В результате взаимодействия его с материалом при выходе из охладителя параметры воздуха изменяются на , а материала на
ПРОЦЕСС ИСПАРЕНИЯ ВЛАГИ ИЗ ЗЕРНА В процессе сушки часть влаги из материала испаряется где W — массовый расход влаги, испарившейся в сушильной камере , кг/ч.
УРАВНЕНИЕ БАЛАНСА МАТЕРИАЛА Масса сухого вещества в процессе сушки и охлаждения остается по стоянной Уравнение (4. 2 ) называют уравнением баланса материала.
Из уравнения (4. 2)можем определить массу материала при выходе из сушиль ной амеры к , (кг/ч)
КОЛИЧЕСТВО ИСПАРИВШЕЙСЯ ВЛАГИ Подставив значение G 2 в уравнение (4. 1) , получим массовый расход влаги, (кг/ч)
Убыль массы материала в процессе сушки определяется из выражения в %
5. УРАВНЕНИЕ БАЛАНСА ВЛАГИ И РАСХОД АГЕНТА СУШКИ Испарившаяся из материала влага в процессе сушки поглощается агентом сушки. Следовательно, общее количество влаги, поступившее в сушильную камеру и вышедшее из нее после сушки, остается посто янным.
УРАВНЕНИЕ БАЛАНСА ВЛАГИ Уравнение баланса влаги записывается в следующих соотношениях
КОЛИЧЕСТВО ВЛАГИ, ПОСТУПИВ ШЕЙ В СУШИЛЬНУЮ КАМЕРУ И ВЫШЕДШЕЙ ИЗ НЕЕ С МАТЕРИАЛОМ где и количество влаги, поступив шей сушильную камеру и в вышедшей из нее с материалом; соответственно
КОЛИЧЕСТВО ВЛАГИ, СООТВЕТСТВЕННО ПОСТУПИВ ШЕЙ В СУШИЛЬНУЮ КАМЕРУ И ВЫШЕДШЕЙ ИЗ НЕЕ С АГЕНТОМ СУШКИ, L и количество влаги, соответственно поступив шей в сушильную камеру и вышедшей из нее с агентом сушки, где L расход сухого агента сушки, кг/ч.
МАССОВЫЙ РАСХОД ИСПАРИВШЕЙСЯ ВЛАГИ W После некоторых преобразований получим массовый расход испарившейся влаги W
МАССОВЫЙ РАСХОД СУХОГО АГЕНТА CУШКИ L Из выражения (5. 2)определяем массовый расход сухого агента сушки L
РАСЧЕТ УДЕЛЬНОГО РАСХОДА СУХОГО АГЕНТА СУШКИ Удельный расход сухого агента сушки, отнесенный на 1 кг испарившейся влаги, составит: где — удельный расход сухого агента сушки на 1 кг испаренной влаги, кг.
6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА ТЕПЛОТЫ Для расчета расхода теплоты сначала представим идеальную сушилку, в которой нет тепловых потерь. Расход тепла на сушку материала в такой сушилке равен расходу тепла на нагрев агента сушки теплосодержание (энтальпия) соответственно наружного воздуха и агента сушки при поступлении его в сушильную камеру.
Удельный расход тепла q на 1 кг испарённой влаги равен В действительной сушилке всегда будет дополнительный расход тепла на нагрев материала, на потери в окружающую среду, кроме то го, в сушильной камере материал может нагреваться от дополнитель ного источника тепла.
Поэтому уравнение баланса тепла действительной сушилки в об щем виде запишется так В левой части уравнения указано количество теплоты, поступавшего в сушильную камеру, в том числе: — с наружным воздухом; Q — с агентом сушки;
G 2 c 2 —с материалом; c W —с испарившейся из зерна влагой; QД— от дополнительного источника (так как в боль шинстве современных сушилок дополнительный источник тепла от сутствует, в дальнейшем он нами не будет учитываться, т. е. QД=0); с , с2— теплоёмкость соответственно воды и зерна , к. Дж/кг °С.
В правой части уравнения указан расход тепла: L I 2 — с отработав шим агентом сушки; G 2 C 2 — с высушенным зерном; Q o. cp — на потери в окружающую среду через стенки сушильной камеры. Из уравнения баланса тепла (6. 3) определим расход тепла на на грев агента сушки Q (на сушку материала):
РАСЧЕТ ТЕПЛОТЫ НА СУШКУ ЗЕРНА Удельный расход теплоты на сушку зерна
После некоторых преобразований уравнение (6. 5) можно записать в следующем виде
Выражение назовем удельным расходом тепла на нагрев материала, тогда
ПОТЕРИ ТЕПЛА Потери тепла в окружающую среду определяются по из вестной формуле для теплопередачи где F площадь поверхности сушильной камеры, м 2 ;
общий коэффициент теплопередачи от агента сушки в окружающую среду через стенки сушильной камеры средняя температура агента сушки, градусов; t 0 — температура окружающего воздуха, градусов
Расход топлива на сушку зерна где удельный расход теплоты на сушку зерна, к. Дж/кг низкая теплотворная способность топлива , МДж/кг ; КПД топки.
7. РАСХОД ВОЗДУХА НА ОХЛАЖДЕНИЕ ЗЕРНА Для устранения порчи зерна, вы ходящего из сушильной камеры, его охлаждают. При активном вентилировании это предотвращает самосогревание свежеубранного и засыпанного на хранение зерна. По аналогии с приведенными выражениями получим следую щие формулы для определения: массы зерна после охладительной камеры
Массы влаги, испарившейся в охладительной камере, удельного расхода воздуха на 1 кг испаренной влаги Влагосодержание d 3 находят по температуре зерна t 3 после ох лаждения. Ее допускают не выше 25 °С. Если tо>20°С, то t 3 = +5°С.
ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ СУШИЛОК Пропускная способность сушилок рассчитывается из соотношения где номинальная пропускная способность, т/ч; указана в тех. характеристики сушилки; коэффициент , зависящий от вида культуры; рожь гречиха 1, 25; просо – 0, 8; горох 0, 3… 0, 5; кукуруза 0, 6
коэффициент , учитывающий начальную и конечную влажность высушиваемого продовольственного зерна до равновесной влажности 14%. Например: снизить с начальной влажности с 16% до 14% =0, 54; а с 20% до 14% =1 При сушке семенного зерна пропускную способность сушилки принимают
Скачать презентацию ОСНОВЫ ТЕОРИИ процесса сушки зерна 1 Способы сушки
ОСНОВЫ ТЕОРИИ процесса сушки зерна.pptx