Расчет распылительной сушилки
Введение
Сушка - процесс удаления влаги из материалов
путем испарения и отвода паровой фазы.
В процессах сушки в основном удаляется влага,
связанная лишь механически. Влага испаряется с поверхности материала за счет
энергии, подводимой к нему теплоносителем.
Сушка - один из самых распространенных и в то же
время энергоемких и дорогостоящих способов консервирования, так как удаление
влаги способствует подавлению действия микроорганизмов, значительно сокращаются
расходы на транспортировку и хранение, так как резко уменьшается вес и объем
продукта.
Сухое молоко представляет собой растворимый
порошок, получаемый высушиванием нормализованного пастеризованного коровьего
молока. Обычно разводится в тёплой воде и употребляется в качестве напитка, при
этом сохраняет все полезные свойства свежего пастеризованного молока. Имеет
широкое применение в кулинарии. Входит в состав многих видов детского питания.
Изготовление сухого молока обусловлено более
длительным сроком хранения данного продукта по сравнению с обычным молоком.
Коровье молоко нормализуют, пастеризуют и
сгущают. Затем производят гомогенизацию сгущённого молока и его сушку на
распылительных или вальцовых сушилках.
На распылительных установках молоко сушат при
температуре 150-180 °C.
Распылительные сушилки пользуются большей
популярностью у производителей из-за высокой производительности и постоянного
качества сухого молока.
Первоначально для сушки молока использовались
преимущественно вальцовые сушилки, основанные на методе кондуктивной сушки.
Обычно на вальцовую сушилку поступает концентрат
цельного молока после мультициклонных выпарных аппаратов с содержанием сухих
веществ около 40 %. Готовый продукт имеет остаточную влажность около 3 %. Сухое
молоко, производимое на вальцовых сушилках, имеет особые органолептические
свойства. При соприкосновении сгущёного молока с нагретой поверхностью барабана
происходит его карамелизация. Таким образом, молоко, высушенное на вальцовых
сушилках, имеет своеобразный привкус карамели. Сухое молоко вальцовой сушки
имеет большое количество свободных жиров, поэтому является незаменимым
ингредиентом в шоколадной промышленности, позволяющим значительно сократить
количество дорогого масла какао. Существенным недостатком такого вида сушки
является малая производительность: в зависимости от величины вальцовой
установки до 1000 кг/ч.
После сушки молоко просеивают и охлаждают.
Для увеличения срока годности продукта
производят его фасовку в вакуумные пакеты или используют инертные газы.
Сухое молоко производится в соответствии с ГОСТ
4495-87 «Молоко цельное сухое» и ГОСТ Р 52791-2007 «Консервы молочные. Молоко
сухое. Технические условия».
. Расчет распылительной сушилки
Производительность по сухому материалу GF
= 0,49 т/ч.
Начальная влажность высушиваемого материала Wн =
52%; конечная Wк = 4,9%. Температура воздуха на входе в сушилку t1 = 180°C,
температура воздуха на выходе из сушилки t2 = 90°С. Температура материала на
входе в сушилку Ɵ = 60°С. Потери
тепла qn = 8.0%.
Высушиваемый материал - обезжиренное молоко.
.1 Материальный баланс сушилки
Массу влажного продукта, загружаемого в сушилку,
определяем по формуле
, (1)
где G2
- масса продукта, полученного после сушки, кг; 
-
процентное содержание влаги в сухом продукте, %; 
-
процентное содержание влаги во влажном продукте, %;
.
Количество влаги, подлежащей выпариванию W,
кг/ч, определяем по формуле
, (2)
.
1.2 Геометрический расчет сушильной башни
Определим внутренний объем по формуле
, (3)
где А - напряжение башни по влаге, А = 3,33
кг/м3,
.
Определим диаметр башни по формуле
, (4)
где К - отношение высоты башни к ее диаметру, К
= 1,15.
.
Высота башни определяется по формуле
, (5)
.3 Расчет теплопотерь при сушке на 1 кг
испаренной влаги
Определим теплопотери в окружающую среду 
,
кДж/кг, принимая теплопотери с 1 м2 равными 4,18 кДж/ч, по формуле
, (6)
Определим теплоемкость высушенного материала 
,
кДж/(кг∙К), по формуле
, (7)
где 
-
теплоемкость абсолютно сухого материала, кДж/(кг∙К);
.
Теплопотери на нагрев продукта определяем по
формуле
, (8)
где 
-
температура продукта на входе в камеру, =
20°С, 
-
температура продукта на выходе из камеры, =
60°С;
.
Сумма теплопотерь определяется по формуле
, (9)
.
.4 Аналитический расчет сушильного процесса в распылительной
башне
Влагосодержание наружного воздуха 
,
г водяного пара/кг сухого воздуха, определяется по формуле
, (10)
где 
-
относительная влажность наружного воздуха; 
-
давление насыщенного водяного пара при температуре 
,
при
,
при 
(для
Воронежа); 
- барометрическое
давление на входе в сушилку, 
зимой:
;
летом:
.
Теплоемкость влажного воздуха С, кДж/(кг∙К)
на 1 кг сухого воздуха определяется по формуле
, (11)
где 
-
теплоемкость сухого воздуха, кДж/(кг∙К); 
-
теплоемкость насыщенного сухого водяного пара, кДж/(кг∙К);
зимой:
;
летом:
.
Теплосодержание водяного пара на выходе из башни
i, кДж/кг, определяется по формуле
, (12)
где 
-
полная теплота водяного пара при 0°С; 
-
температура воздуха на выходе из сушильной башни, 
.
Влагосодержание наружного воздуха d2,
г водяного пара/кг сухого воздуха, на выходе из сушильной башни определяется по
формуле
, (13)
где 
-
температура на входе в сушильную башню, °С.
зимой:
,
летом:
.
Относительная влажность воздуха на выходе из
башни 
определяется
по формуле
, (14)
где 
-
давление насыщенного пара при , Па, 
Па.
зимой:
,
летом:
.
Относительный расход абсолютно сухого воздуха на
сушку 
,
кг сухого воздуха/кг испарен влаги, определяется по формуле
. (15)
зимой:
,
летом:
.
Расход тепла на сушку 
определяется
по формуле
, (16)
где -
температура наружного воздуха, °С.
зимой:
,
летом:
.
Расход воздуха в сушильной башне за 1 час работы
сушилки L, кг сухого
воздуха/ч, рассчитывается по формуле
. (17)
зимой:
,
летом:
.
Расход тепла в сушильной башне за 1 час работы
сушилки 
,
кДж/ч, рассчитывается по формуле
. (18)
зимой:
,
летом:
.
. Расчет сушки с предварительным обезвоживанием
в контактном испарителе
Принимаем, что в испарителе молоко подогревается
с 
C
до 
С,
температура воздуха, поступающего из сушильной башни, с 
C
понижается до 
С.
.1 Аналитический расчет сушильного процесса в
испарителе
Теплоемкость поступающего в испаритель воздуха
с, кДж/(кг∙К), рассчитывается по формуле
. (19)
зимой:
,
летом:
.
Полная теплота водяного пара i,
кДж/кг, на выходе из испарителя рассчитывается по формуле
, (20)
где 
-
температура воздуха на выходе из испарителя, °С.
.
Теплопотери в испарителе на подогрев продукта на
1 кг испаренной в установке влаги 
,
кДж/кг испаренной влаги, определяется по формуле
влага башня сушка молоко
, (21)
где 
-
теплоемкость влажного материала, кДж/(кг∙К), определяется по формуле
(22)
,
.
Теплопотери в испарителе в окружающую среду
принимают, учитывая температурный режим, равными 0% от теплопотерь башней, т.е.
.
Суммарные теплопотери в испарителе определяются
по формуле
(23)
.
Часть влаги х, испаряемой из продукта в
испарителе, определяется по формуле
(24)
зимой:
,
летом:
.
Влагосодержание воздуха на выходе из испарителя 
,
г водяного пара/кг сухого воздуха, определяется по формуле
зимой:
,
летом:
.
Относительная влажность воздуха 
на
выходе из испарителя рассчитывается по формуле
, (26)
где -
давление насыщенного пара при , Па, 
Па.
зимой:
,
летом:
.
Количество испаренной воды в сушильной башне 
,
кг/ч, определяется по формуле
(27)
зимой:
,
летом:
.
Количество испаренной воды в испарителе 
,
кг/ч, определяется по формуле
(28)
зимой:
,
летом:
.
Относительная влажность материала на выходе из
испарителя , %, рассчитывается
по формуле
(29)
зимой:
,
летом:
.
Проверка расчетов по формуле
(30)
зимой:
,
летом:
.
Расход воздуха 
,
кг сухого воздуха/ч, определяется по формуле
(31)
зимой:
,
летом:
.
Расход тепла 
,
кДж/ч, определяется по формуле
(32)
зимой:
,
летом:
.
.2 Экономия расходов
Экономия в расходах по сравнению с сушкой без
предварительного обезвоживания составит:
тепла зимой:
,
тепла летом:
,
воздуха зимой:
,
воздуха летом:
.
Полученные величины, являющиеся коэффициентами
экономии, представляют собой ту часть влаги, которая испаряется из продукта в
испарителе.
Производительность сушильной установки будет
больше и составит по выпаренной влаге по формуле
(33)
.
т.е. увеличится на 16,5% при тех же расходах
воздуха и тепла, что были определены для сушилки без предварительного
обезвоживания.
. Расчет рукавных фильтров
Фильтрующая поверхность F,
м2, определяется по формуле
(34)
где 
-
производительность 1 м2 фильтрующей поверхности рукавов в 1 ч/м2; 
-
коэффициент, определяющий единовременно работающую часть фильтра, 
.
.
Количество рукавов n,
шт., определяется по формуле
(35)
где 
-
диаметр рукава, м; 
; -
рабочая длина рукава, м; 
.
Потерю напора или сопротивление 
,
Па, рассчитываем по формуле
, (36)
где 
-
опытный коэффициент, справедливый для определенной ткани, 
;
-
опытный показатель степени, 
.
. Расчет калорифера
Калорифер рассчитывают при оптимальной стоимости
его эксплуатации на зимнее время работы.
Рассчитаем и подберем калорифер для подогрева
наружного воздуха от -9,8°С до 180°С.
Коэффициент экономических характеристик А
определяется по формуле
(37)
где 
-
стоимость 1 кВт/час электроэнергии, руб., 
;
-
стоимость 1 м2 поверхности теплопередачи калорифера, руб.,
;
-
годовая стоимость амортизации и ремонта калорифера в долях единицы от начальной
стоимости, 
; 
-
число часов работы калорифера в сутки, 
;
-
количество рабочих дней в году, 
; 
-
плотность воздуха, 
; 
-
КПД электродвигателя, 
; 
-
КПД вентилятора, 
.
.
Оптимальная массовая скорость воздуха 
,
,
определяется по формуле
(38)
где 
-
коэффициент опытных величин калорифера, для калорифера марки КФБ 
;
-
коэффициент отношений поверхности теплопередачи к живому сечению калорифера,
для модели КФБ 
; m
- коэффициент калорифера опытный, для модели КФБ 
.
.
Подберем калорифер, обеспечивающий оптимальную
или ей близкую объемную скорость 
,
,
по формуле
(39)
где 
-
живое сечение калорифера, м2, 
; 
-
количество калориферов, установленных параллельно,
Эту скорости применяют в дальнейших расчетах.
Коэффициент теплопередачи К, 
,
определяется по формуле
(40)
где 
и
-
опытные коэффициенты, для марки КФБ 
.
Поверхность теплопередачи F,
м2, определяется по формуле
(41)
где 
-
средняя разность температур пара и воздуха, которая определяется по формуле
(42)
где -
начальная температура наружного воздуха, 
°С;
-
конечная температура наружного воздуха, 
°С;
-
температура пара, 
°С.
Количество калориферов x,
установленных последовательно, определяется по формуле
(43)
где 
-
поверхность передачи одного калорифера, для марки КФБ 
.
Установочная поверхность рассчитывается по
формуле
(44)
Сопротивление калорифера 
,
Па, рассчитывается по формуле
, (45)
где 
, 
-
опытные коэффициенты, для марки КФБ 
;
9,8 - перевод мм.рт.ст. в Па.
Сопротивление калориферной станции 
,
Па, определяется по формуле
(46)
Стоимость эксплуатации калориферной станции
определяется по формуле
(47)
. Расчет вентилятора
Часовую производительность вентилятора,
установленного за сушилкой и рассчитанного на отсос обработанного воздуха ,
м3/ч, определяется по формуле
, (48)
где -
плотность воздуха в зависимости от места установки вентилятора, рассчитывается
по формуле
, (47)
где -
давление воздуха на выходе из сушилки, 
;
-
влагосодержание отработавшего воздуха, кг вод. пара/ кг сухого воздуха; 
-
температура отработавшего воздуха,°С.
,
.
По полученной производительности выбираем
вентилятор ВР 140-40.
Мощность двигателя данного вентилятора 
Напор вентилятора - H =
900 Па.
Заключение
В ходе расчета и проектирования сушилки для
сушки молока производительностью 800 кг/ч получены следующие значения:
расход тепла в сушильной башне за 1 час работы
сушилки
.
техническая производительность по сырому
продукту
.
Габариты сушильной башни
высота … 6240 мм
диаметр … 5430 мм
Подобран калорифер марки КФБ-6, годовая
стоимость эксплуатации которого составляет 2513718,167 руб/год.
Рассчитано количество рукавных фильтров, которое
составило 12 шт.
В результате произведенных расчетов можно
сделать вывод, что данная рассчитанная сушильная установка соответствует
технологии производства сухого молока по расходам тепла и воздуха, а также
габаритные размеры сушильной башни соответствуют выпускаемым.
Список использованной литературы
1.
Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и
аппаратов химической технологии. Издание 8-е, пер. и доп. Л., (Химия), 1976 -
552 с.
.
Логинов А.В., Остриков А.Н., Красовицкий Ю.В.Практикум по гидравлике.
Руководство по изучению курса: уч. пособие.- Воронеж: ВГТА, 2009. 352 с.
.
Машины и аппараты пищевых производств. В 2 кн. Кн. 2: Учеб. для вузов/ С.Т.
Антипов, И.Т. Кретов, А.Н. Остриков и др.; под ред. акад. РАСХН В.А.Панфилова.
- М.: Высш. шк., 2001. - 680 с.: ил
.
Лыков, М.В. Распылительные сушилки. Основы теории и расчета [Текст]/ М.В.
Лыков, Б.И. Леончик - М.: Машиностроение, 1966г. 331 с