Рис. 6. Схема распылительной сушилки: 1- распылительный диск; 2 – камера сушки (башня); 3 – рукавные фильтры; 4 – разгрузочный шнек; 5 – скребок с приводом; 6 - встряхиватель

а                                                         б

Рис.1. Кривые сушки (а) и скорости сушки (б): W_кр – критическая влажность; W_р – равновесная влажность; 1- для крупнопористого материала; 2 – для ткани и кожи; 3- для пористой керамики; 4 – для сухарей; 5 – для глины

 

На кривых скоростей сушки можно видеть одну или две критические точки K₁ и K₂. Обе они соответствуют изменению механизмов удаления влаги: до точки К₁ удаляется поверхностная влага и влага пор, после точки К₂ – адсорбционно или осмотически связанная влага.

В первый период сушки (до критической точки К₁) движущей силой процесса является разность давления насыщенного пара в пограничном слое материала и парциального давления пара в окружающей среде (Р_н–Р_в). Скорость сушки в этот период определяется приведенной выше феноменологической зависимостью Дальтона. В этот период скорость диффузии не влияет на скорость сушки.

Во второй период сушки давление паров вблизи поверхности материала ниже равновесного, и определяющее влияние на скорость сушки оказывает диффузия влаги в нем. Движущей силой процесса в этот период можно считать разность фактического и равновесного влагосодержаний (кг влаги / кг абсолютно сухого материала) высушиваемого материала (С - С_р). Тогда феноменологическая зависимость для скорости (интенсивности) процесса примет вид:

,   кг/(кг∙с)                    (5)

где k – коэффициент массопроводности (скорости сушки), кг/(кг∙м²∙с); τ – время, с; m_w и m_м – массы отбираемой влаги и абсолютно сухого материала, кг.

Начальное влагосодержание для этого периода сушки соответствует критическому С_к1, а конечное С_к2 определяется относительной влажностью воздуха. Проинтегрировав это уравнение в указанных пределах, получим:

,                                        (6)

где τ₂ – продолжительность второго периода сушки.

Формула определяет экспоненциальную зависимость влажности от времени τ:

                           (6а)

Наиболее интересные явления при сушке связаны с явлением термодиффузии. Термодиффузия заключается в перетекании влаги в глубину высушиваемого материала за счет разности температур его поверхностных и глубинных слоев. При повышении температуры сушильного агента термодиффузия может усиливаться.

Удаление влаги, мигрировавшей в глубину высушиваемого изделия, затруднено. Вследствие этого попытки ускорить сушку повышением температуры материала часто приводят к миграции влаги в его глубину и подгоранию поверхностных слоев изделий. При последующем охлаждении поверхностные слои изделия вновь увлажняются вследствие обратной диффузии влаги.

 

3. Устройство сушилок

Основной классификацией сушилок является их разделение по конструктивным признакам на барабанные (рис. 2 - 3), коридорные или туннельные (рис. 4), ленточные (рис. 5), шахтные (рис. 6 - 7), распылительные (рис.8 - 9.), вальцовые (рис. 10 - 11).

Почти каждая из них может изготавливаться в различных вариантах со следующей дополнительной классификацией:

- по технологической схеме: противоточные, поточные и с перекрестными токами;

- по движению сушильного агента: естественной или искусственной его циркуляции;

- по организации сушильного процесса: нормальные, с подогревом внутри камеры сушки, с промежуточным подогревом, с возвратом отработанного воздуха и др.;

- по давлению в сушильной камере: атмосферные, вакуумные, глубоковакуумные;

- по виду сушильного агента: воздух, топочные газы, перегретый пар;

- по агрегатному состоянию продукта: твердое, жидкое, пастообразное, пенообразное;

- по способу подвода теплоты: кондуктивные, радиационные, конвективные, высокочастотные);

- по режиму работы: периодического действия или непрерывные.

Барабанные сушилкиобеспечивают сушку сыпучих материалов во вращающихся барабанах (рис. 2).

 

Рис.2. Схема барабанной сушилки с подъемно - лопастной насадкой: 1 - топка; 2 - бункер; 3 - барабан; 4 - бандажи; 5 - зубчатое колесо; 6 - вентилятор; 7 - циклон; 8 - приемный бункер; 9 - шлюзовой питатель; 10 - опорные ролики; а, б, в – типы применяемых насадок

Барабан – это аппарат диаметром 1,2...2,8 м с отношением длины к диаметру 3,5...7, вращающийся на катках со скоростью 1...8 об/мин.

Такие сушилки применяют для сушки при атмосферном давлении свекловичного жома, зерно-картофельной барды, кукурузных ростков и мезги, зерна и сахара-песка. Теплоносителями являются воздух или топочные газы.

Сушилки имеют цилиндрический полый горизонтальный барабан 3, установленный под небольшим углом к горизонту. Барабан снабжен бандажами 4, каждый из которых катится по двум опорным роликам 10 и фиксируется упорными роликами. Барабан приводится во вращение от электропривода с помощью насаженного на барабан зубчатого колеса 5. Влажный материал поступает в сушилку из бункера 2. При вращении барабана высушиваемый материал пересыпается и движется к разгрузочному отверстию. За время пребывания в барабане материал высушивается при взаимодействии с теплоносителем - в данном случае с топочными газами, которые поступают в него из топки 1.

Для улучшения контакта материала с сушильным агентом в барабане устанавливают внутреннюю насадку, которая при вращении барабана способствует перемешиванию материала и улучшает обтекание его сушильным агентом. Тип насадки выбирают в зависимости от свойств материала. Подъемно-лопастную насадку (рис. 2а) используют для сушки крупнокусковых и склонных к налипанию материалов. Для сушки мелкокусковых, сыпучих материалов применяют распределительную насадку (рис. 2б). Пылящие, тонкодисперсные материалы сушат в барабанах, снабженных перевалочной (ячейковой) насадкой (рис.2в).

Газы и материал могут двигаться прямотоком и противотоком. При прямотоке удается избежать перегрева материала, так как при этом горячие газы взаимодействуют с материалом, имеющем высокую влажность. Чтобы исключить большой унос пыли, газы прокачиваются через барабан вентилятором со скоростью 2...3 м/с. Перед выбросом в атмосферу отработанные газы очищаются в циклоне 7.

Туннельные и камерные сушилки представляют собой длинные камеры (рис. 3а), внутри которых периодически передвигаются по рельсам тележки (вагонетки) с поддонами.

 

Рис. 3а. Схема трехзонной туннельной (коридорной) сушилки: 1 – двери внешние;       2 - газоход; 3 – вентилятор; 4 – калорифер; 5 – корпус; 6 – вагонетки с продуктом; 7 – двери внутренние; I, II, III - зоны нагрева

 

На поддонах высушивается так называемый кусковый продукт (овощи, сухари, фрукты, мармелад, пастила, макароны и т.п.). Тележки с сетчатыми поддонами периодически закатываются в туннель (коридор), в котором организуется движение подогретого воздуха в направлении, поперечном движению тележек аналогично камерным сушилкам (рис.3б).

Рис. 3б. Поперечное сечение камерной сушилки:1 - корпус; 2 - вагонетки; 3 - калориферы; 4 - вентилятор; 5 - шибер

По организации процесса туннельные сушилки относятся к сушилкам непрерывного действия, а камерные – периодического.

 Время пребывания тележек в сушильной камере равняется продолжительности сушки, которая достигается за один проход тележек.

Свежий воздух засасывается вентилятором и поступает, нагреваясь в калориферах, в сушилку. Перемещение тележек происходит с помощью лебедки. Туннельные сушилки имеют самоотворяющиеся двери.

Горячий воздух взаимодействует в сушилке с материалом в прямотоке либо в противотоке. В ряде случаев в туннельных и камерных сушилках осуществляют рециркуляцию воздуха и его промежуточный подогрев в самой сушильной камере. Калориферы и вентиляторы устанавливают на крыше сушилки, сбоку или в туннеле под сушилкой. Отработанный воздух из сушилки выбрасывается через газоход.

Ленточные сушилки (рис. 4) применяют для сушки овощей, фруктов, хлеба, крахмала, макарон, мелкоштучных изделий и др.

Рис. 4. Схема ленточной сушилки: 1 - корпус; 2 - ленточный конвейер; 3 - ведущие барабаны; 4 - ведомые барабаны; 5 - калориферы; 6 - бункер с загрузочным устройством

Рис. 5. Схема шахтной сушилки свекловичного жома: 1 – ковшовый транспортер; 2- фильтр; 3 – скребки; 4 – корпус; 5 - печь

Продукт подается на ленты 2, изготовленные из сетчатого (перфорированного) материала (ткань, сетка), между рабочей и холостой ветвями ленты располагаются подогреватели 5.

Пересыпание материала с ленты на ленту способствует его перемешиванию, что, в свою очередь, увеличивает скорость сушки. Чтобы материал направленно пересыпался с вышерасположенного конвейера на нижерасположенный, устанавливают направляющие лотки. Скорость движения ленты - 0,1...0,7 м/мин – может варьироваться.

Шахтные сушилки (рис. 5) применяют для сушки зерна, жома, овощей, угля, глины и др. Материал движется в них за счет силы тяжести; его движение замедляется перегородками и полками.

В шахтной сушилке для свекловичного жома сырой жом проходит через ряд решетчатых полок с центральными отверстиями.

На вертикальном валу сушилки установлены конусы и скребки 3, подгребающие материал, падающий с конусов, к центральным отверстиям решеток. Сушильный агент подается в камеру через газоход и отсасывается вентилятором.

Распылительные сушилки (рис. 6) применяются для сушки жидких продуктов (молока, яиц, барды, желатина и др.).

Сушилка имеет вид башни больших размеров (диаметр 2…5 м, высота 3…5 м). Скорость движения сушильного агента в башне 0,2…0,4 м/с. Высушиваемый материал распыляется диском 1 в верхней части башни 2. Распыление должно быть достаточно мелким (диаметры капель 10…100 мкм), что обеспечивает большую поверхность контакта продукта с сушильным агентом. В результате массовая скорость сушки оказывается большой.

Высушенный материал падает на дно камеры 2 и скребками 5 сдвигается к отводящему шнеку 4; частицы материала, уносимые сушильным агентом, задерживаются матерчатыми фильтрами 3. Массовая напряженность сушилок находится в пределах 2,0…2,5 кг/(ч·м²).

Вальцовые кондуктивные сушилки (рис. 7) передают теплоту высушиваемому материалу при его непосредственном контакте с поверхностью нагрева. Такие сушилки используются для сушки жидких коллоидных растворов и суспензий, тягучих вязких жидкостей и пастообразных материалов, кормовых дрожжей.

Рис.7. Схема двухвальцовой барабанной кондуктивной сушилки: 1 - досушиватель; 2 - корпус; 3 - привод; 4 – ведущий валок; 5 - сифонная трубка; 6 - нож; 7 - ведомый валок

Греющий пар поступает в пустотелые валки 4, 7, вращающиеся навстречу друг другу с частотой 2...10 об/мин, через полую цапфу, а конденсат выводится через сифонную трубу 5. Материал загружается сверху между валками и покрывает их тонкой пленкой, толщина которой определяется регулируемым зазором между вальцами. Высушивание материала происходит в тонком слое за полный оборот вальцов. Подсушенный материал снимается ножами 6 вдоль образующей каждого валка. В случае необходимости досушки материала сушилку снабжают гребковыми досушивателями 1. Напряженность при сушке вареного картофеля составляет К = 75 кг/(ч·м²) при давлении пара 0,3...0,5 МПа. При сушке дрожжей при Р = 0,3...0,4 МПа напряженность К = 35 кг/(ч·м²), а при Р = 0,1...0,2 МПа; К=18 кг/(ч·м²).

Вакуумные кондуктивные сушилки (рис. 8, 9) позволяют повысить производительность процесса и снизить температуру сушки.

Сушка в вакууме обычно идет в два этапа. На первом удаляется свободная влага, при этом в порах таких материалов, как картофель, имеет место кипение воды. Во второй период удаляется связанная влага, и температура для этого резко повышается, приближаясь к температурам горячей поверхности сушилок.

Сушилку периодического действия, показанную на рис. 8, применяют обычно для сушки пекарских дрожжей, крахмала, фруктов, рафинада. Сушилка состоит из сушильной камеры 1, конденсатора влаги 3, ранее испарившейся в сушильной камере, и вакуум-насоса, удаляющего воздух, попавший в сушилку через неплотности.

На рис. 9 представлена схема непрерывно действующей одновалковой вакуумной сушилки для жидких и пастообразных материалов.

 

 

 

Рис. 8. Схема установки для сушки в вакууме: 1 – сушильная камера; 2 – обогреваемые поддоны с продуктом; 3 - конденсатор

Рис.9. Схема одновалковой вакуумной сушилки: 1 – корпус; 2 – валок; 3 – патрубок подачи греющего пара; 4 – патрубок подачи материала; 5 – высушенный материал; 6 – нож; 7 – патрубок отвода пара из корпуса; 8 – смотровое стекло; 9 – змеевик

 

Сублимационные сушилкиТакую сушку проводят в глубоком вакууме, обычно при давлении 0,1...1 мм. рт. ст. (13,3...133 Па) и температуре ниже 15 ^оС. При таком давлении длина свободного пробега молекул равна или больше характерных размеров сушильной камеры. Поэтому молекулы, покидающие материал, сразу же без всяких препятствий (без соударений с молекулами окружающей среды) оказываются на ее стенках, которые являются холодильниками, и переходят в конденсат. Такие условия обеспечивают интенсивное испарение влаги из замороженных продуктов без нагрева до высоких температур. В результате обеспечивается высокое качество продуктов.

Рис. 10. Схема сублимационной сушилки: 1 - сушильная камера; 2 - плита; 3 - противень; 4 - конденсатор-вымораживатель

Сублимационные сушилки применяют для сушки ценных пищевых продуктов, когда к высушенному продукту предъявляют высокие требования в отношении сохранности его биологических свойств в условиях длительного хранения (мяса в замороженном состоянии, овощей, фруктов и др.).

При сублимационной сушке замороженных продуктов находящаяся в них влага в виде льда переходит непосредственно в пар, минуя жидкое состояние. Перенос влаги в виде пара от поверхности испарения происходит путем эффузии, т.е. свободного движения молекул пара без взаимных столкновений друг с другом.

Сублимационная сушилка (рис. 10) состоит из сушильной камеры (сублиматора) 1, в которой расположены пустотелые плиты 2, и конденсатора – вымораживателя 4. В плитах циркулирует горячая вода. Высушиваемый материал в противнях 3 размещается на плитах 2. Противни имеют специальные бортики, которые обеспечивают воздушную прослойку между плитами и противнями. Теплота от плит к противням передается за счет радиации. Образовавшаяся при сушке паровоздушная смесь из сублиматора поступает в конденсатор-вымораживатель, представляющий собой кожухотрубный теплообменник, в межтрубном пространстве которого циркулирует хладагент - аммиак. Конденсатор-вымораживатель включают в циркуляционный контур с испарителем аммиачной холодильной установки и соединяют с вакуумной линией, предназначенной для отсасывания несконденсировавшихся газов. В трубах конденсатора происходят конденсация и вымораживание водяных паров. Обычно сублимационные сушилки имеют два попеременно работающих конденсатора: в то время как в одном конденсаторе происходят конденсация и замораживание, другой размораживается для удаления льда.

Влагу удаляют из материала в три стадии. На первой стадии при снижении давления в сушильной камере происходят самозамораживание влаги и сублимация льда за счет теплоты, отдаваемой материалом. При этом удаляется до 15% всей влаги. Вторая стадия - сублимация, при которой удаляется основная часть влаги. На третьей стадии – стадии тепловой сушки удаляется оставшаяся влага.

Терморадиационные сушилкиприменяются для термообработки зерновых материалов, таких как фасоль, горох, ячмень и др. При сушке инфракрасными лучами теплота для испарения влаги подводится термоизлучением. Генератором, излучающим теплоту, являются специальные лампы или нагретые керамические или металлические поверхности.

При сушке термоизлучением на единицу поверхности материала в единицу времени приходится значительно больше теплоты, чем при сушке нагретыми газами или при контактной сушке. Процесс сушки значительно ускоряется. Так, продолжительность сушки инфракрасными лучами тонкослойных материалов сокращается в 30... 100 раз.

На рис. 11 представлена схема радиационной сушилки с излучателями, обогреваемыми газами.

Рис.11. Схема радиационной сушилки:1- конвейер; 2 - газодувка; 3 - газовые горелки; 4 - излучатель; 5 - выхлопная труба; 6 - бункер

Газовые радиационные сушилки проще по конструкции и дешевле ламповых сушилок. Излучатели нагреваются газом, сжигаемым непосредственно под излучателями, или же топочными газами, поступающими внутрь излучателей. Выбор излучателей в общем случае определяется свойствами высушиваемого материала.

Для интенсификации процесса сушки сушилки должны работать в осциллирующем режиме, чтобы термодиффузионный поток влаги, направленный вследствие температурного градиента внутрь материала, не препятствовал диффузии влаги с поверхности.

Высокочастотные сушилкив последнее время нашли применение для выпечки толстослойных изделий, например тортов. При высокочастотной сушке можно регулировать температуру и влажность не только на поверхности, но и по толщине материала.

СВЧ-сушилка (рис.12) состоит из лампового высокочастотного генератора и сушильной камеры, внутри которой находится ленточный конвейер. Переменный ток из сети частотой 50 Гц поступает в выпрямитель, а затем в генератор, где преобразуется в переменный ток высокой частоты. Этот ток подводится к пластинам конденсатора 2, которые расположены с обеих сторон ленточного конвейера 3. Под действием поля высокой частоты ионы и электроны материала меняют направление движения синхронно с изменением знака заряда пластин конденсатора. Дипольные молекулы получают вращательное движение, а неполярные поляризуются из-за смещения их электрических зарядов. В результате этих процессов в материале выделяется теплота и материал нагревается. Изменяя напряженность электрического поля, можно регулировать скорость сушки.

Рис. 12. СВЧ-сушилка: 1 – электросеть; 2 - электроды; 3 – конвейер

При высокочастотной сушке требуются высокие удельные расходы энергии (2,5...5 кВт-ч на 1 кг испаренной влаги). Конструкция высокочастотных сушилок более сложная и дорогая, чем конвективных и контактных. Поэтому высокочастотные сушилки целесообразно применять для термообработки дорогостоящих пищевых продуктов.

Сушка в кипящем слое (рис. 13) и аэрофонтанная сушка (рис. 14), применяются для сушки угля, зерна, овощей, органических красителей, опилок, хлопка и других материалов.

Сушка происходит с высокой интенсивностью, при этом возможно регулирование времени пребывания материала в сушилке. Недостатком сушилок подобного типа является высокий расход энергии на создание кипящего слоя, а также измельчение материала в процессе.

 

Рис.13. Схема камерной сушилки для сушки дисперсных материалов в псевдоожиженном слое: 1 - корпус; 2 – заслонки; 3 - газораспределительная решетка

Рис. 14. Схема аэрофонтанной сушилки: 1 – печь; 2 – вентилятор; 3 – камера сушки; 4 – циклон; 5 - дозатор

 

Разновидностью сушилки с кипящим слоем может считаться устройство, изображенное на рис. 15.

Рис. 15. Схема поверхностно-конвек­тивной сушилки с инертными телами в потоке сушильного агента: 1 – корпус; 2 – инертные тела; 3 – ротор

 

Рис. 16. Схема сушилки встречными со закрученными потоками: 1 – камера сушки; 2, 5 – входные патрубки-завихрители; 3 – отводящий патрубок; 4 – накопительный бункер гранул; 6 - завихритель

 

В этой сушилке взвешенным слоем являются инертные тела, на поверхность которых осаждается высушиваемый продукт, например, молоко. Инертные тела (полые шарики диаметром 30...70 мм) движутся в потоке горячего воздуха, из-за чего на их поверхности пленка продукта быстро высушивается. После высыхания она сбивается с поверхности шариков и измельчается за счет их трения друг о друга, подхватывается потоком сушильного агента, выносится с ним из сушилки и отделяется от него на мешочных фильтрах. Такая сушилка является комбинированной и использует элементы сушилок с кипящим слоем, аэрофонтанных, кондуктивных, распылительных.

Сушилка со встречными закрученными потоками схематично изображена на рис. 16. В ней смесь газа - сушильного агента и пылеобразного влажного материала, подвергающегося сушке и последующему гранулированию, вводится в цилиндрическую камеру сушки 1 через тангенциально расположенный патрубок 2. Часть сушильного агента вводится через нижний патрубок-завихритель 5. Отработавший сушильный агент отводится через центральный патрубок 3, а высушенный продукт – вниз через накопительный бункер 4. Перед входом в корпус 1 поток сушильного агента закручивается завихрителем 6. В пространстве между патрубками 3 и 5 образуется устойчивый вращающийся тор из твердых высушиваемых частиц. Он подпитывается свежими влажными частицами, поступающими из патрубка 2. За счет относительного движения частиц в слое и их адгезии частицы слипаются и образуют гранулы. Гранулы вращаются вместе с остальными частицами и по достижению критической массы выпадают в бункер 4. Данная сушилка обычно работает как высокопроизводительный гранулятор сыпучих продуктов, в частности, минеральных удобрений.