Производство сухого молока

Наиболее эффективны для очистки  воздуха системы мокрого пылеулавливания (скрубберы), обеспечивающие очистку до остаточного содержания пылевых частиц в воздухе 5-15 мг/м^З. Очистка отработанного воздуха в мокром пылеуловителе (скруббере) обеспечивает получение сухого молока в количестве 10-15 т/год и более. Дополнительная экономия достигается также за счет испарения из молока в процессе мокрого пылеулавливания воды до 200-400 кг/ч. Конструкция систем мокрого пылеулавливания разрабатывается с учетом специфики каждого типа сушилки и условий размещения оборудования в цехе.

 

 

3. Устройство и принцип действия разработанной конструкции.

 

Разрабатываемая распылительная сушилка содержит следующие  элементы: сушильную камеру (корпус) с транспортирующими механизмами, распылительную форсунку, фильтр очистки  воздуха, рекуператор и калорифер.

Сушильная камера имеет цилиндрическую форму с плоским дном. Со дна  сушильной камеры готовый сухой  продукт (сухое молоко) транспортными  скребками перемещается к загрузочному отверстию винтового конвейера. Транспортные скребки расположены на горизонтальной вращающейся штанге и совершают вращательное движение  относительно оси симметрии камеры. Углы крепления и радиальное расположение скребков подобраны таким образом, чтобы направлять готовый продукт к винтовому конвейеру, не оставляя «мертвых» зон на дне сушильной камеры. Винтовой конвейер перемещает сухое молоко к разгрузочному бункеру.

Приводом транспортных устройств (скребков и конвейера) является последовательно  соединенные мотор-редуктор и открытый редуктор, состоящий из двух конических передач. Так как скорости вращения валов транспортного устройства и открытого редуктора незначительные, в качестве подшипников выбираю подшипники скольжения сухого трения, не требующие смазки.

Из соображений простоты конструкции  и экономичности выбираю распылительную форсунку механического типа.

Так как частицы  сухого молока имеют размер от 20 мкм. в качестве фильтра очистки воздуха  принимаю тканевой рукавный фильтр. Для  периодической очистки ткани  фильтра принимаю встряхивающее  устройство.

В качестве рекуператора принимаю пластинчатый рекуператор с перекрестным ходом потоков воздуха. Так как выброс отработанного воздуха производиться по патрубку, направленному горизонтально вниз, нет необходимости в применении конденсатоотводчика, однако его необходимо предусмотреть на трубопроводе выброса воздуха в атмосферу, если этот трубопровод будет иметь подъемные участки.

 

 

 

 

4. Расчет аппарата.

4.1. Определение габаритов камеры.

Объем камеры определяю  по формуле:

 м³, (4.1)

где: W - количество выпаренной влаги, кг/час;

А = 4 кг/(м³час) - напряжение объема сушильной камеры.

Количество выпаренной влаги определяю исходя из материального  баланса сушки по формуле:

кг/час = 0.0246 кг/с (4.2)

м³

Камера имеет форму цилиндра с коническим дном с соотношением высоты H к диаметру D равном 1.2. Исходя из этого диаметр определяю по формуле:

м. (4.3)

При этом высота будет равна 1.2×D = 1.2×2.865 = 3.438 м.

Размеры конического дна камеры принимаю конструктивно.

4.2. Тепловой расчет.

Для определения  расхода воздуха и расхода  теплоты на сушку строю теоретический  и практический циклы сушки в  I-d диаграмме для воздуха (приложение 1).

На пересечении изотермы t₀ = 20 ^оС и линии влагосодержания d₀ = 10 г/кг нахожу точку A, характеризующую состояние (параметры) наружного воздуха.

Нагрев воздуха в калорифере происходит при постоянном влагосодержании, поэтому на пересечении  изотермы t₁ = 150 ^оС и линии влагосодержания d₀ = 10 г/кг нахожу точку B, характеризующую состояние воздуха после подогрева.

Теоретический процесс сушки происходит при постоянной энтальпии. Точку, соответствующую  состоянию воздуха в конце  теоретического цикла сушки (C), нахожу на пересечении изоэнтальпы I_B = 180 кДж/кг и изотермы t₂ = 80 ^оС.

По диаграмме определяю параметры  воздуха в трех точках теоретического цикла сушки, данные заношу в таблицу 4.1.

 

 

 

Таблица 4.1

	A	B	C
Температура, оС	20	150	80
Относительная влажность, %	70	-	12
Влагосодержание, г/кг	10	10	36.5
Энтальпия, кДж/кг	45	180	180

 

В реальном процессе сушки линия BC будет начинаться в точке B, однако не будет совпадать с направлением изоэнтальпы I_B. Направление этой линии зависит от величины D, определяемой по формуле [2: стр. 747]:

 Дж/кг, (4.4)

где: q_доб = 0 Дж/кг - добавочное количество теплоты, подводимой непосредственно в сушильную камеру ;

q_w - теплота, вносимая в сушку с влагой материала, Дж/кг;

q_м - удельные потери на нагрев материала, Дж/кг;

q_тр = 0 Дж/кг - удельные потери на нагрев транспортных устройств;

q_пот - удельные потери в окружающую среду (принимаются на уровне 15% от теоретически затраченной теплоты).

Все величины обозначенные буквой q являются удельной теплотой, отнесенной к 1 кг выпаренной влаги.

Удельную теплоту, вносимую в сушку с влагой материала, определяю по формуле:

Дж/кг, (4.5)

где: с_в = 4190 Дж/(кг К) - удельная теплоемкость воды [2: стр.749];

Дж/кг = 83.8 кДж/кг

Удельные потери теплоты на нагревание материала определяю по формуле:

Дж/кг. (4.6)

Дж/кг = 10.3 кДж/кг

Удельные потери теплоты на окружающую среду определяю по формуле:

Дж/кг. (4.7)

где: q_Т - теоретический расход теплоты на испарение 1 кг влаги, определяю по формуле:

=5192308 Дж/кг = 5192 кДж/кг, (4.8)

где: I_B, I_A, d_C, d_A - энтальпии и влагосодержания воздуха в соответствующих точках I-d диаграммы (таблица 4.1).

Дж/кг = 767.8 кДж/кг

 

Подставляю полученные значения в формулу 4.4:

Дж/кг = 694.4 кДж/кг

Уравнение лини BC₁ реального процесса сушки (зависимость энтальпии от влагосодержания) выглядит следующим образом [3: стр 442]:

кДж/кг, (4.9)

Задаюсь произвольным влагосодержанием d = 26 г/кг и определяю для этого влагосодержания энтальпию точки D (принадлежит лини ВС₁ реального цикла сушки) из уравнения 4.9:

Дж/кг = 168.9 кДж/кг

На I-d диаграмме отмечаю точку D и провожу прямую через точки D и В, на пересечении этой прямой и изотермы t₂ = 80 ^oC нахожу точку С₁, характеризующую состояние воздуха в конце реального цикла сушки. При этом энтальпия в точке C₁ - I_C1 = 165 кДж/кг, а влагосодержание d_C1 = 31.5 г/кг.

Реальный расход воздуха определяю  по формуле:

кг/с (4.10)

кг/с

Необходимое количество тепла для  сушки определяю по формуле:

Вт (4.11)

Вт = 154.7 кВт.

 

4.3. Расчет рекуператора.

Рекуператор представляет собой набор  гладких пластин из стандартных  оцинкованных листов размерами b = 1 м и h = 1 м, толщиной d_л = 0.7 мм.

Между пластинами проклеены резиновые прокладки (11 шт.) шириной b_р = 2 мм, с шагом 0.1 м. Расположение прокладок указано на рисунке 4.1, они расположены таким образом, чтобы обеспечить перекрестное движение воздушных потоков отработанного и внешнего воздуха без смешивания между собой. Конструктивно пластины припаяны к несущей металлоконструкции (уголок).

Схема движения потоков воздуха через рекуператор  показана на рисунке 4.2.

 

 

 

Рис. 4.1. Пластинчатого рекуператор.

 

Рис. 4.2. Схема движения воздушных потоков пластинчатого рекуператора.

Для расчета рекуператора задаюсь  средним температурным напором Dt = 10 ^oC, и скоростью воздуха в рекуператоре n_р = 5 м/с

Температуру сбрасываемого  из рекуператора воздуха определяю  по формуле:

^оС (4.12)

Количество тепла, передаваемое в  рекуператоре, определяю по формуле:

 Вт, (4.13)

где: с_воз = 1005 Дж/(кг К) - теплоемкость воздуха [1: стр. 12].

Вт = 57.6 кВт.

При охлаждении исходящего воздуха в рекуператоре может образовываться конденсат, для  определения объема этого конденсата на I-d диаграмме (приложение 1) строю линию процесса охлаждения воздуха.

Сначала охлаждение происходит при  постоянном  влагосодержании, пока относительная влажность воздуха  не достигнет 100% (вертикальная пунктирная линия от точки С1 до пересечения с линией 100% влажности), затем процесс протекает с конденсацией влаги (по линии 100% влажности). Точка E, характеризующая параметры воздуха на выходе из рекуператора, находится на пересечении изотермы t_ух = 30 ^оС и линии 100% влажности.

Количество сконденсировавшейся влаги определяю по формуле:

кг/с, (4.14)

где: d_Е = 27.5 г/кг - влагосодержание воздуха в точке E I-d диаграммы.

 кг/с.

Так количество выделяемого конденсата незначительно по сравнению с  расходом воздуха (<1%), то в дальнейшем расчете пренебрегаю уменьшением эффективной площади теплообмена за счет образования конденсата.

Площадь поверхности  теплообмена рекуператора определяю по формуле:

 м², (4.15)

где: k - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²К).

Коэффициент теплоотдачи определяю  по эмпирической формуле [1: стр. 12]:

 Вт/(м²К). (4.16)

 м²

Эффективную площадь теплообмена  одной пластины определяю по формуле:

 м² (4.17)

Необходимое количество пластин определяю  по формуле:

 (4.18)

Соответственно проходов для движения воздуха между пластинами - n_пр =252, а для движения воздуха в каждом направлении n₂ = 126.

Площадь сечения по воздуху определяю  по формуле:

 м², (4.19)

где: r_в = 1.093 кг/м³ - плотность воздуха при температуре 50 ^оС (средняя температура воздуха в рекуператоре) [1: таблица 8].

м².

Расстояние между пластинами определяю  по формуле:

 м (4.20)

м = 1.7 мм.

Таким образом общую толщину  пакета пластин определяю по формуле:

 м (4.21)

 м.

 

4.4. Расчет калорифера.

Калорифер представляет из себя набор  из одинаковых оребренных ТЭН (РЭН) мощностью N’ = 2 кВт/п.м. и с площадью оребрения F’ = 0.75 м². Для дальнейшего расчета принимаю температуру поверхности РЭН t_к = 400 ^oC.

Конструктивно принимаю габариты проходного сечения калорифера из расчета размещения его на рекуператоре: ширина b_к = 0.5 м, высота h_к = 0.81 м.

Проверяю тепловую нагрузку на 1 погонный метр РЭН.

Количество теплоты, отдаваемое с 1 п.м. РЭН определяю по формуле  [1: стр18]:

 Вт, (4.22)

где: k - коэффициент теплопередачи от поверхности РЭН к воздуху, Вт/(м²К);

Dt_ср - средний температурный напор калорифера.

Коэффициент теплопередачи определяю  по эмпирический формуле [1: стр18]:

. (4.23)

где: n_кал - скорость воздуха в калорифере, м/с.

Скорость воздуха в калорифере определяю по формуле (с учетом того, что площадь прохода по воздуху в калорифере составляет 2/3 от общей площади сечения:

м/с, (4.24)

где: r_к = 1.093 кг/м³ - плотность воздуха при температуре 50 ^оС (средняя температура воздуха в калорифере) [1: таблица 8].

м/с.

Тогда:

 

Разница температуры воздуха и  поверхности РЭН на входе в  калорифер: