Конструктивно-технологические схемы основных типов сушилок

В конструктивном плане контактные сушилки представлены вальцовыми, конвективные — камерными, ленточными, распылительными, барабанными, а также сублимационными сушилками и сушилками с «кипящим» (псевдоожиженным) слоем.

Для сушки молока и жидких молочных продуктов наибольшее распространение получили вальцовые и распылительные сушилки. Для сушки твердых молочных продуктов чаще применяют сушилки камерные, ленточные и барабанные, реже — сублимационные и с «кипящим» (псевдоожиженным) слоем.

В вальцовых сушилках теплота передается от нагретой поверхности их исполнительного органа к высушиваемому материалу при непосредственном соприкосновении. Они состоят из двух вращающихся навстречу друг другу полых барабанов (рис. 10.1, а) и поэтому называются двухвальцовыми. Один из барабанов находится в подвижных подшипниках, что позволяет регулировать зазор между барабанами, а следовательно, и толщину пленки высушиваемого материала.

Рис. 10.1. Сушилки для молока и молочных продуктов:

а — вальцовая: 1 — барабаны; 2 — ножи; 3 — питатель; 4 — вытяжной патрубок; 5 — шнеки; 6 — полый вал; б — распылительная: 1 — сушильная камера;

• 2 — распылитель; 3 — вентилятор;
• 4 — фильтры-камеры; 5 — скребок; 6 — шнек

Продукт, подлежащий сушке, подается питателем на рабочую поверхность барабанов и образует на их поверхности тонкую пленку. По мере вращения барабана продукт высушивается и снимается ножом, а затем шнеком отводится за пределы устройства.

Барабаны сушилки обогреваются паром, подаваемым в полый вал, через этот же вал отводится и конденсат пара. Воздух, уносящий испаренную влагу, уходит в вытяжной патрубок. Барабаны вращаются с частотой 24 мин-¹.

Распылительные сушилки (рис. 10.1, б) состоят из сушильной камеры, выполненной в виде полой башни диаметром до 5 м и высотой до 8 м. Продукт, поступающий в сушилку, распыляется в верхней ее части мелкими каплями, путем разбрызгивания через форсунки под большим давлением, пневматического распыления — при помощи сжатого воздуха или центробежных распылителей. Благодаря высокой дисперсности продукта и большой поверхности контакта с теплоносителем продолжительность сушки в таких аппаратах очень велика. В качестве теплоносителя служит очищенный в фильтрах и нагретый до 135…140°С в калориферах воздух.

Высушенный продукт в виде порошка падает на дно камеры и скребком подается к шнеку, который отводит его из сушилки. Нагретый воздух, перемещаясь в сушилке со скоростью около 0,4 м/с, увлекает с собой мелкие частицы высушенного материала, поэтому для их улавливания воздух пропускается через фильтры и вентилятором удаляется в атмосферу.

В зависимости от направления движения частиц распыляемого продукта и воздуха различают сушильные камеры с параллельным током (прямоточные), с противотоком и со смешанным током (рис. 10.2).

Рис. 10.2. Движение сырья и воздуха в сушильных камерах:

а, б, в — параллельное; г — противоточное; д, е — смешанное При использовании прямоточного метода распыления молоко (молочный продукт) и теплоноситель движутся параллельно (рис. 10.2, а), сбоку (рис. 10.2, б) и снизу (рис. 10.2, в).

При подаче молока и воздуха снизу скорость движения частиц равна сумме скорости их витания и скорости движения воздуха. Основная масса сухого продукта остается в нижней части сушилки. Небольшая доля частиц уносится с воздухом. Проходя сверху вниз, горячий воздух встречается с молоком (молокопродуктами) в зоне распыления, характеризуемой максимальной влажностью. Быстрое испарение влаги, происходящее при соприкосновении частичек молока с горячим воздухом в начале их пути, резко понижает температуру этих частичек. Температура выходящего из сушилки порошка сравнительно низкая, так как на выходе из зоны сушки порошок соприкасается с уже охлажденным и насыщенным парами воды отработавшим теплоносителем.

Боковая подача высушиваемого продукта и воздуха с вращательным движением теплоносителя улучшает их смешивание и делает сушку более экономичной.

Параллельный поток снизу вверх имеет преимущества перед потоком сверху вниз, так как в первом случае сушка протекает более равномерно. Параллельный поток воздуха и высушиваемого материала наиболее выгоден, так как в этом случае температура нагрева воздуха и скорость его протекания (2…3 м/с) могут быть более высокими. При этом температура высушиваемого продукта определяется температурой теплоносителя на выходе из сушилки. Кроме того, при параллельном потоке меньше частиц попадает на стенки камеры и готовый продукт получается более однородным.

В сушилках с противотоком (рис. 10.2, г) при высушивании термочувствительных материалов температура поступающего воздуха не может быть доведена до того же значения, что и в прямоточных. Это снижает эффективность сушки (количество испаряемой влаги с 1 м² сушильной камеры в 1 ч). При сушке в противотоке увеличивается длительность пребывания частиц высушиваемого продукта во взвешенном состоянии, что позволяет лучше использовать влагоемкость теплоносителя и уменьшить расход пара на его подогрев. Кроме того, с отработавшим теплоносителем уносится меньше порошка. Гранулы (частички пылевидного продукта) получаются более прочными, чем при прямоточном методе сушки. При данном методе частицы высушиваемого материала встречают горячий теплоноситель в конце своего пути, когда влажность их минимальна, а температура подогретого воздуха максимальна. В этом случае возможны подгорание и порча продукта. Помимо этого высушенные мелкие частицы поднимаются потоком воздуха вверх, где в зоне наименьших температур они соединяются с невысохшими каплями высушиваемого материала, что приводит к неоднородности готового продукта. Сушку в противотоке можно вести с подачей жидкости сверху, а теплоносителя снизу, или наоборот.

В сушилках со смешанным током (рис. 10.2, д, е) сушка протекает при такой скорости теплоносителя, когда более крупные частицы оседают на дно камеры и лишь мелкие уносятся отработавшим воздухом, что позволяет избежать перегрева мелких частиц и поддерживать более высокую температуру сушки, чем при противотоке. В таких сушилках достигается более высокая влажность отработавшего теплоносителя, и, следовательно, такие сушилки более экономичны. Однако готовый продукт получается менее однородным по влажности.

При смешанном токе сушилки могут работать по различным схемам: цилиндрической сушилки с дисковым распылением (см. рис. 10.2, 0) и конической сушилки (см. рис. 10.2, е), функционирующей по типу циклона — теплоноситель в нее подается тангенциально. В результате трения воздуха о стенки камеры поток перемещается винтообразно, что обеспечивает хорошее взаимодействие частиц с теплоносителем.

Гидравлическое (механическое) распыление продукта в сушильных камерах достигается в результате его истечения из форсунок с большой скоростью под действием высокого давления (4,9…20 МПа). Для достижения хорошего эффекта распыления высушиваемый продукт при помощи насоса вначале нагнетается в уравнитель давления, откуда под давлением 4,9 МПа направляется к форсункам. Давление в уравнителе создается воздушным компрессором. Распад струи, выходящей из форсунки, на капли зависит от турбулентности (завихрения), которая, в свою очередь, обусловлена скоростью истечения жидкости, размером выходного отверстия форсунки, физическими свойствами сырья.

Турбулентность струи возрастает, если после выхода из форсунки ей придается вращательное движение, для чего в форсунках имеется специальное устройство (канавка). При этом уменьшается размер капель, благодаря чему процесс сушки улучшается.

Для распыления применяют форсунки с выходным отверстием диаметром 0,5… 1,5 мм. Чем больше диаметр сопла форсунки при одном и том же давлении, тем выше производительность сушилки. Этот же эффект достигается при повышении давления подаваемого высушиваемого продукта и при том же диаметре сопла форсунки. Следует отметить, что работа с использованием форсунок с уменьшенным выходным отверстием увеличивает их сопротивление, что влечет за собой повышение давления подаваемого продукта и улучшение степени распыления.

Механическая форсунка (рис. 10.3) состоит из корпуса, крышки и шайбы. Внутри форсунки установлен конус с канавками, расположенными по касательной к внутренней окружности. Высушиваемый продукт проходит по канавкам, сохраняя полученную под действием гидравлического давления поступательную скорость, и приобретает тангенциальную (касательную) скорость. При выходе продукта из отверстия форсунки образуется пленка, которая затем распадается на отдельные капли.

Преимущество форсунок — небольшие энергозатраты на распыление (от 4 до 10 кВт • ч на 1 т продукта). Их производительность составляет 150 дм³/ч. Для обеспечения соответствующей производительности сушилки устанавливают несколько форсунок.

Рис. 10.3. Механическая форсунка:

1 — корпус; 2 — крышка; 3 — шайба; 4 — конус; 5 — канавка К недостаткам механических форсунок относится то, что они часто забиваются, особенно при распылении вязких и плохо очищенных жидкостей. Выходное отверстие механических форсунок быстро разрабатывается под шлифующим действием струи, вследствие чего размер капель увеличивается и ухудшается работа сушилки. Кроме того, производительность сушилок с механическими форсунками нельзя регулировать в процессе работы.

Недостатки механических форсунок стали причиной того, что при разработке сушилок распылительного типа в последние годы конструкторы ориентируются на использование центробежного способа распыления продукта. В этом случае распыление осуществляется центробежным диском с внутренними радиально расположенными канавками. При таком способе распыления высушиваемый продукт самотеком поступает внутрь диска, вращающегося с большой скоростью. Здесь он приобретает вращательное движение и под действием центробежной силы выбрасывается в сушильную камеру, превращаясь при этом в мельчайшие капли. Для достижения однородного распыления необходимы равномерная подача продукта на диск и отсутствие вибрации последнего. Размер капель при распылении диском тем меньше, чем больше окружная скорость и диаметр диска. Чем выше скорость вращения диска, тем однороднее распыление. В среднем окружная скорость должна быть не ниже 60 м/с. Практически в современных сушилках распылительного типа окружная скорость распылительного диска равна 110…150 м/с. Это позволяет получить более однородный тонкодисперсный высушенный продукт и уменьшить размеры сушильной камеры, так как диаметр факела распыления и высота сушилки в результате такого технического решения уменьшаются. Кроме того, создаются более благоприятные условия для движения распыляемого продукта и теплоносителя, что, в свою очередь, позволяет повысить производительность сушилок, не увеличивая их размеров.

Виды различных распылительных центробежных дисков показаны на рис. 10.4. Диаметр отверстий в дисках со смешанными соплами может быть 4, 6 и 8 мм, диаметр самого диска — 200, 250, 300 и 350 мм. Минимальная частота вращения диска 133…167 с^-1, но может быть доведена до 500 с^-1. При этих условиях диаметр частиц распыляемого продукта может составлять (10…20) • 10~⁶ м.

Рис. 70.4. Виды распылительных центробежных дисков:

а — тарельчатый открытый; б — со сменными соплами; в — со сменными соплами облегченный; г — плоский закрытый с перегородками; д — плоский закрытый с отверстиями; е — плоский закрытый с зубьями; ж — трехъярусный гладкий с отверстиями; з — трехъярусный с перегородками и зубьями Необходимую частоту вращения диск получает от электромеханического привода с повышающим редуктором червячного, фрикционного или зубчатого типа, от паровой или пневматической турбины, а также от высокочастотного электродвигателя с водяным охлаждением, работающего от тока повышенной частоты (до 200 Гц). Последний способ более надежен, так как обеспечивает стабильность распыления, благодаря чему повышается количество растворимых белковых веществ в готовом продукте при более высоком содержании влаги.

Особенностью дискового распыления является то, что факел распыления расположен в горизонтальной плоскости, а его диаметр определяется дальностью полета капель высушиваемого продукта. Обычно за диаметр факела распыления принимают диаметр окружности, где выпадает около 90% всего распыляемого продукта.

В сушилках с форсуночным распылением сравнительно легко регулировать размер факела. Это достигается изменением диаметра сечения отверстия форсунки и давления жидкости. В сушилках с дисковым распылением продукта такой регулировки нет. Диаметр факела при распылении центробежным диском возрастает по мере увеличения количества высушиваемого продукта и уменьшается при повышении частоты его вращения.

С отходящим из сушильной камеры теплоносителем уносятся мелкие частицы высушенного продукта. Унос продукта с отработавшим теплоносителем (воздухом) даже при правильно выбранном режиме сушки составляет до 10% общей массы высушенного материала. Кроме того, значительный унос готового продукта приводит к загрязнению окружающей среды. В связи с этим в распылительных сушилках предусмотрена система очистки отработавшего теплоносителя.

Для улавливания порошка высушенного продукта применяют рукавные фильтры и центробежные циклоны.

Рукавные фильтры (рис 10.5) состоят из металлического кожуха, разделенного на нижнюю, среднюю и верхнюю части перегородками. Нижняя часть соединяется с воздуховодом, отходящим от сушильной камеры. В средней части расположены специальные рукава.

Рис. 10.5. Рукавный фильтр:

а — в процессе фильтрования; б — в процессе встряхивания; 1 — стержень;

• 2 — рычаг; 3 — двуплечий рычаг; 4 — пружина; 5 — кулачок; 6 — клапан;
• 7 — верхняя часть кожуха воздуховода; 8 — ось; 9, 16 — перегородки;
• 10 — рама; 11 — тяга; 12 — средняя часть кожуха; 13 — рукав; 14 — воздуховод;
• 15 — нижняя часть кожуха

Рукава прикреплены нижней частью к перегородке, а верхней — к дискам, подвешенным к раме, которая соединена тягой с рычагом, прижимаемым пружиной. Длина рукава 2000 мм, диаметр 190 мм, фильтрующая поверхность каждого рукава 1,2 м², производительность по воздуху 86 м³/мин.

В перегородках, разделяющих кожух на части, имеется отверстие. Верхняя часть закрывается вращающимся клапаном и соединена системой рычагов со стержнем, на который надета пружина. Воздух поступает в фильтр по воздуховоду и, отсасываемый центробежным вентилятором, попадает через верхнюю часть кожуха в рукав. Порошок оседает на внутренней поверхности рукавов, в которых создается разрежение.

В верхней части фильтра расположен вал, делающий один оборот в течение 2…3 мин, с укрепленным на нем кулачком. Когда кулачок подходит к рычагу, он открывает клапан, и отсасывание воздуха из корпуса фильтра прекращается, а через открывшееся отверстие перегородки воздух поступает в среднюю часть фильтра. В это время рычаг прижимает двуплечий рычаг к эксцентриковому кулачку, в момент падения рычага с выступа кулачка происходит энергичное встряхивание рукавов. При этом частицы порошка стряхиваются с внутренней поверхности рукавов и падают в нижнюю коническую часть кожуха, откуда отводятся шнеком на выгрузку.

Рукавные фильтры обычно состоят из нескольких камер, и встряхивание рабочих органов в них производится поочередно с тем, чтобы обеспечить бесперебойную фильтрацию воздуха.

Матерчатые рукавные фильтры имеют высокий коэффициент обеспыливания, но они громоздки и не полностью отвечают санитарногигиеническим требованиям.

Циклон (рис. 10.6) представляет собой цилиндр с конусообразной нижней частью, изготовленной из листовой углеродистой стали с последующей металлизацией ее внутренней поверхности алюминием или из листовой нержавеющей стали. Угол наклона конуса должен быть не менее 60°. Снизу на выходе продукта из загрузочного конуса на фланцах укреплен шлюзовой затвор, который приводится во вращение от индивидуального электродвигателя с редуктором через цепную передачу. Циклон устанавливают на четырех опорах, опуская конусную часть в проем перекрытия. Воздух, освобожденный от большей части взвешенных примесей, из циклона через выводную трубу отсасывается вентилятором.

Рис 10.6. Циклон:

• 1 — входной патрубок; 2 — выводная труба; 3 — лапа; 4 — цепная передача;
• 5 — редуктор; 6 — электродвигатель; 7 — шлюзовой затвор; 8 — разгрузочный конус; 9 — цилиндрическая часть

Принцип работы центробежного циклона заключается в том, что загрязненный воздух вводится через входной патрубок в верхнюю цилиндрическую часть циклона по касательной к его окружности и движется сверху вниз по спирали. Образующиеся при этом центробежные силы отбрасывают твердые частицы к стенкам циклона, по которым они сползают в его нижнюю часть, а оттуда — в бункер. Очищенный воздух удаляется из циклона через выводную трубу, расположенную в его верхней части.

Для эффективного улавливания порошка циклон должен быть герметичным, скорость движения воздуха в нем необходимо поддерживать на уровне 10…20 м/с во входном патрубке и 3…8 м/с в выводной трубе.

В каждый из циклонов из сушильной камеры поступает около 16 000 м³/ч отработавшего воздуха температурой 60…70°С. В результате отсоса воздуха вентилятором в циклонах образуется остаточное давление около 0,8…0,12 кПа.

Качество сепарации зависит от радиуса циклона и скорости воздуха: чем меньше радиус циклона, тем выше степень очистки при той же скорости воздуха. Увеличение размеров циклона снижает эффективность его работы, поэтому при большой производительности сушилки устанавливают несколько циклонов и даже батареи их. Первая пара циклонов улавливает около 60% оседающей здесь пыли, вторая — около 40%. Осажденную циклонами пыль пропускают через шлюзовые затворы и собирают в бумажные мешки.

Степень очистки воздуха в рукавных фильтрах выше (98…99%), чем в циклонах (не более 90%), при условии, что фильтры содержатся в хорошем состоянии (неизношенная ткань, отсутствие неплотностей в рукавах и кожухе, удовлетворительная работа встряхивающего механизма).

Преимуществом циклона является доступность для очистки, и даже стерилизации, что особенно важно при сушке пищевых продуктов.

Камерные сушилка (рис. 10.7, а) обычно представляют собой шкаф с принудительной циркуляцией теплоносителя, в котором на стеллажах или ситах высушивается материал. Сушилка может быть выполнена с одним или несколькими подогревателями воздуха.

Рис. 10.7. Сушилки для молока и молочных продуктов:

а — камерная: 1 — теплообменники; 2 — вентилятор; 3 — подогреватель; 4 — шибер; 5 — полки; 6 — ленточная: 1 — транспортер; 2 — нагреватель; 3 — вентилятор; 4 — труба Воздух при помощи вентилятора подается на основной подогреватель и в камеру сушилки. Проделывая зигзагообразный путь, воздух дополнительно подогревается в теплообменниках. Отработавший теплоноситель выводится через трубу в верхней части сушилки. Часть теплоносителя при необходимости может быть возвращена в сушилку через регулирующий шибер.

Ленточные сушилки (рис. 10.7, б) работают при атмосферном давлении. В пищевой промышленности обычно применяют четырехи пятиярусные сушилки такого типа.

Четырехъярусная сушилка состоит из четырех сетчатых конвейеров, каждый из которых имеет индивидуальный привод. Живое сечение сетчатой ленты конвейера около 50%. Между ветвями конвейеров расположены трубчатые ребристые нагреватели, обогреваемые паром. Воздух поступает от вентиляторов и проходит перекрестным по отношению к материалу потоком через все ленты сушилки. Отработавший теплоноситель удаляется при помощи зонта и трубы. Скорость движения ленты регулируется вариатором в пределах ОД…0,7 м/мин.

Барабанные сушилки (рис. 10.8, а) используют для сушки таких сыпучих материалов, как молочный сахар и казеин. Основная их часть — это барабан, к внутренней стороне которого по всей длине наклонно приварены ребра. Барабан установлен на двух парах опорных роликов с небольшим (около 5°) уклоном в сторону движения высушиваемого материала. Он приводится во вращение при помощи зубчатого венца, надетого на барабан и находящегося в зацеплении с зубчатым колесом редуктора. Частота вращения барабана 1…8 мин-¹. Диаметр его зависит от производительности сушилки и составляет 1200…2800 мм.

Влажный продукт загружается питателем и с помощью ребер перемещается вдоль барабана. Воздух, нагретый в паровом калорифере до 130…140°С, проходит через барабан, отдает теплоту продукту и отсасывается вентилятором через циклон в атмосферу. Выделенные в циклоне мелкие частицы сухого продукта подаются вместе с его основным потоком на выгрузку.

Сублимационные сушилки (рис. 10.8, б) относятся к сушилкам периодического действия и работают при остаточном давлении 0,1…0,3 кПа. Процесс сушки в них осуществляется при отрицательных температурах, и вода в продукте находится в виде льда. При этом испарение влаги происходит без его плавления, т. е. сублимацией.

Сушилка состоит из сублиматора (сушильной камеры), десублиматора (конденсатора-вымораживателя) и вакуум-насоса. Необходимой частью сушилки является холодильная установка для охлаждения конденсата (на схеме не показана). Внутри сублиматора размещены полки из полых плит, в которые насосом из бака в процессе сушки подается горячая вода. На полках размещают противни с высушиваемым продуктом.

Рис. 10.8. Сушилки для молока и молочных продуктов:

а — барабанная: 1 — барабан; 2 — зубчатый венец; 3 — вентилятор; 4 — циклон; 5 — устройство отвода готового продукта; 6 — опорные ролики; 7 — зубчатое колесо редуктора; б — сублимационная: 1 — сублиматор; 2 — десублиматор;

• 3 — вакуум-насос; 4 — бак; 5 — насос; в — многокамерная с псевдоожиженным слоем: 1,2, 3 — камеры; 4 — перегородки; г — однокамерная с псевдоожиженным слоем и перемешивающим устройством: 1 — решетка;
• 2 — перемешиваюшее устройство

Десублиматор служит для конденсации водяных паров, поступающих из сублиматора. Он представляет собой теплообменный аппарат, в межтрубное пространство которого подается отсасываемая из сублиматора паровоздушная смесь, а в трубы — хладагент (аммиак или фреон). Влага намораживается на охлаждаемых трубах, а воздух откачивается вакуум-насосом. Для оттаивания льда в трубы десублиматора периодически подают горячую воду.

Процесс сушки начинается с замораживания в сублиматоре продукта до температуры −15…−17°С и откачки из него воздуха. Затем в плиты сублиматора подается горячая вода, в результате чего замороженная вода в продукте испаряется. Температура сырья повышается до 0 °C. При нагревании продукта до 40…45°С в нем остается 2…10% влаги. Сухой продукт выгружается после отключения сублиматора от вакуумной системы и создания в нем атмосферного давления.

Сушилки с «кипящим» (псевдоожиженным) слоем (рис. 10.8, в) можно использовать для сушки казеина и других пищевых продуктов.

Процесс сушки в «кипящем» слое позволяет увеличить поверхность контакта высушиваемого материала с теплоносителем (обычно воздухом) и, следовательно, уменьшить размеры сушилки. Это интенсифицирует удаление влаги из продукта и значительно сокращает продолжительность сушки.

Сушилки в вихревом псевдоожиженном слое могут быть однои многокамерными. Некоторые сушилки комплектуют перемешивающими устройствами, которые препятствуют образованию комков в готовом продукте при его сушке.

Однокамерная сушилка работает следующим образом. Воздух подается вентилятором по воздуховодам в блок калориферов и нагревается до 1Ю…130°С, затем поступает в аппарат и приводит в состояние «кипения» высушиваемый материал. Отработавший влажный воздух через фильтр-ловушку выбрасывается в атмосферу. В процессе сушки продукт непрерывно перемещается под действием воздуха к месту выгрузки.

В многокамерной сушилке (см. рис. 10.8, в) теплоноситель в каждой камере имеет свои параметры. При этом между камерами сделаны перегородки, которые препятствуют смешиванию разного по степени сухости продукта.

На рис. 10.8, г представлена сушилка с перемешивающими устройствами. Нагретый воздух, подаваемый под решетку в первую зону, обеспечивает создание «кипящего» слоя, перемещение его в последующие зоны и выгрузку из сушилки готового продукта. Высота псевдоожиженного слоя для казеина 210…250 мм. Влажность продукта в процессе сушки снижается с 55…65 до 10…12%.