Гидродинамика псевдоожиженного слоя овса при обжарке перегретым паром

Для правильной организации процесса сушки и обжарки овса в псевдоожиженном режиме, а также при проектировании сушилок и обжарочных установок, необходимо знать основные гидродинамические показатели слоя материала. К таким показателям можно отнести

потери давления сушильного агента, порозность и скорость вибротранспортирования материала по длине газораспределительной решетки. Изучение этих параметров может служить хорошей оценкой структуры слоя и способствовать определению оптимальных режимов подачи теплоносителя, при которых создается большая подвижность частиц материала в слое [1, 2].

Целью настоящей работы являлось экспериментальное определение скорости псевдоожижения зерна овса, порозности и потерь давления перегретого пара в псевдоожиженном слое материала, с последующим математическим описанием, позволяющим проводить инженерный расчет данных показателей.

Материалы и методы

Экспериментальная установка для определения скорости псевдоожижения зерна овса, порозности и потерь давления перегретого пара в псевдоожиженном слое материала приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки: 1 – привод ротационных дозаторов; 2 – парогенератор; 3, 7 – ротационные дозаторы; 4 – форсунки; 5 – вытяжной диффузор; 6 – циркуляционный трубопровод; 8 – рабочая камера; 9 – парораспределитель; 10 – шкаф управления; 11 – трубчатые электронагреватели; 12 – переходник; 13 – вентилятор

Figure 1. The scheme of experimental installation: 1 – actuator rotary feeders; 2 – steam generator; 3, 7 – rotary feeders; 4 – nozzle; 5 – exhaust diffuser; 6 – circulating pipe; 8 – working chamber; 9 – steam distributors; 10 – control Cabinet; 11 – tubular heaters; 12 conversion; 13 – fan

При проектировании и изготовлении установки предполагались широкий диапазон изменения технологических параметров процесса, возможность осуществления различных гидродинамических режимов слоя исследуемого продукта, а также максимальное приближение к условиям сушки и обжарки овса в промышленных аппаратах [3, 4].

Установка изготовлена из нержавеющей стали и теплоизолирована с наружной стороны.

Рабочая камера 8 имеет форму параллелепипеда с размерами 400 x 160 x 600 мм, в ее нижней части располагается газораспределительная решетка. Газораспределительная решетка выполнена из нержавеющей проволоки, закреплена на каркасе, установленном в корпусе, и имеет живое сечение 57,7%. С внешней стороны камера снабжена дверью с окном для контроля за проводимым процессом влаготепловой обработки и поведением слоя продукта, установки и съема газораспределительной решетки, а также для обслуживания установки.

К верхней части рабочей камеры прикреплен вытяжной диффузор 5 с сеткой, препятствующей попаданию частиц обрабатываемого продукта в циркуляционный трубопровод 6 . Сверху, в начале рабочей камеры, и снизу, в ее конце, установлены ротационные дозаторы 3 и 7 секторного типа. Внутри цилиндрических корпусов дозаторов расположены валы с приваренными пластинами, корпусы дозаторов снабжены узлами крепления к рабочей камере. Загрузочный дозатор имеет бункер для исходного продукта, выгрузочный дозатор снабжен распределительным лотком. Регулируемый привод дозаторов обеспечивает непрерывную и регулируемую бесступенчатую подачу исходного продукта в рабочую камеру и отвод из нее обработанного продукта.

Внутри камеры 8 между газораспределительной решеткой и дозатором выгрузки расположена вертикальная съемная перегородка, препятствующая попаданию необработанного продукта на выгрузку. В задних стенках рабочей камеры и парораспределителя установлены штуцера для ввода хромель-капелевых термопар (ТХК), а также для соединения пространств над и под газораспределительной решеткой с U -образными манометрами. В циркуляционном трубопроводе 6 имеется патрубок с вентилем для удаления избытка пара.

Внутри парораспределителя 9 и переходника 12 установлены трубчатые электронагреватели (ТЭНы) типа «C», обеспечивающие прогрев установки и нагрев теплоносителя до заданной температуры. В парораспределителе установлено девять трубчатых электронагревателей мощностью по 0,5 кВт, а в переходнике – семь трубчатых электронагревателей мощностью по 0,32 кВт. Электрические контакты ТЭНов снаружи установки закрыты кожухами. Рабочая камера нижней частью крепится к парораспределителю 9, который соединен при помощи фланцев через переходник 12 с вентилятором 13. На всасывающей стороне вентилятора установлен диффузор, соединенный при помощи фланцев с циркуляционным трубопроводом 6. В циркуляционном трубопроводе 6 имеется шиберная заслонка. Диффузор снабжен патрубком, через который подается пар из парогенератора 2. В нижней части вентилятора установлен вентиль для удаления конденсата, образующегося в паропроводах и установке.

Диаметр циркуляционного трубопровода 6 равен 150 мм и принят конструктивно для обеспечения необходимого напора вентилятора и наименьшего влияния трубки Пито на поле скоростей потока теплоносителя при измерении динамического напора [3, 4]:

(d /D)2 < 0,001, где D - диаметр паропровода, D = 0,15 м; d - диаметр наконечника трубки Пито, d = 0,0025 м.

В шкафе управления 10 смонтированы автоматизированные системы регулирования температуры теплоносителя, средства измерения и регулирования режимных параметров для контроля и управления процессом сушки и обжарки овса.

Автоматизированная система управления температурой теплоносителя включает программноаппаратный модуль (измеритель) с программой регистрации значений температуры, хромель-копелевые термопары (диаметр электродов 0,1 мм) и систему световой индикации работы ТЭНов. Требуемая температура теплоносителя на входе в рабочую камеру поддерживалась работой ТЭНов с помощью системы автоматического регулирования температуры.

Программное обеспечение (ПО) измерительного устройства состоит из двух частей. Первая часть ПО – микропрограмма – размещается в микроЭВМ, расположенной в измерителе, и позволяет непосредственно управлять аппаратными ресурсами измерителя: проводить замеры; анализировать температуру и управлять нагревателем и взаимодействовать с ПЭВМ.

Вторая часть ПО управления устройством функционирует на ПЭВМ. Она разработана для операционных систем семейства Microsoft Windows .

Выходные данные, описывающие состояние системы в определенные моменты времени, представлены в виде файла, формат которого поддерживается электронной таблицей Microsoft Excel . Это обеспечивает прямое импортирование содержимого файла в электронную таблицу, позволяя производить полностью автоматизированный процесс обработки результатов [2].

Система компьютерного контроля и регулирования позволяет измерять температуру в диапазоне 50–300 °C в трех точках рабочей камеры установки, используя в качестве датчиков хромель-копелевыми термоэлектрическими преобразователями ТХК-539М, обеспечивая точность измерения в диапазоне 50–300±1 °C. Она позволяет также задавать и отображать на дисплее ПЭВМ текущие значения температур на стрелочных индикаторах и в цифровом виде и регистрировать измеренные значения температур путем записи в текстовый файл с табличным форматированием для обозначения определенного момента времени при изменении параметров процесса сушки и обжарки.

За температуру продукта принималась температура, измеренная с помощью термопары, введенной в центр частицы. Для измерения температуры теплоносителя и продукта применялись термопары, изолированные асбестовым шнуром. Точность измерения температур ± 1 K.

Скорость теплоносителя измерялась цифровым анемометром АП1.

Гидравлическое сопротивление слоя продукта во время сушки измеряли U -образными манометрами. Контроль и регулирование режимных параметров процесса сушки и обжарки овса, приводов дозаторов загрузки и выгрузки продукта и вентилятора осуществлялись со шкафа управления работой установки.

Для проведения опыта установка выводится на заданный режим работы:

─ осуществлялась подача пара из пароподводящих коммуникаций в диффузор и далее вентилятором через диффузор, переходник, парораспределитель в рабочую камеру;

─ пар перегревался до заданной температуры;

─ включением электропривода дозатора загрузки осуществлялась подача исходного продукта на газораспределительную решетку;

─ начинался опыт.

Активные гидродинамические режимы слоя продукта создавались подачей потока теплоносителя. Псевдоожиженный слой продукта обеспечивался открытием заслонки диффузора на нужную величину и включением электропривода вентилятора. Конструкция передней стенки рабочей камеры обеспечивала быстрый ввод пробоотборника в камеру через определенные промежутки времени. Отбор проб проводился в трех точках по длине газораспределительной решетки. Взвешивание проб овса проводилось на аналитических весах WА-31 с точностью ± 0,1 мг.

Для определения влажности продукта использован метод высушивания до постоянной массы при температуре 130 °C.

Универсальность экспериментальной установки позволяла исследовать процесс сушки и обжарки овса, используя при этом в качестве теплоносителя горячий воздух и перегретый пар атмосферного давления.

В качестве объекта исследования использовали овес I типа 2-го подтипа, сорт «Кировский», не очищенный от цветочной пленки выращенный в центрально-черноземном районе.

Овес, поступающий в переработку, по своему качеству должен соответствовать требованиям ГОСТ 28673-90.

Процесс сушки и обжарки овса в псевдоожиженном слое воздухом и перегретым паром атмосферного давления исследовали в следующих диапазонах изменения технологических параметров: температура воздуха 343–373 К, температура пара 383–413 К; скорость потока теплоносителя на входе в слой – от 1,8 до 3,0 м/с; удельная нагрузка продукта на решетку – от 15 до 30 кг/м2.

Опыты проводились несколько раз для проверки воспроизводимости полученных результатов. Надежная работа установки подтвердила стабильность всех полученных экспериментальных данных.

В исследованиях использовался перегретый пар атмосферного давления, который пронизывал слой овса снизу-вверх. Так как в процессе сушки и обжарки происходит уменьшение массы материала, то показания опытов регистрировались в течение первой минуты процесса, когда удельная нагрузка слоя максимальна.

Сопротивление слоя овса при переходе его в псевдоожиженное состояние измерялось прямым методом [5, 6]. Для анализа состояния слоя кривые псевдоожижения строились в виде линий прямого и обратного хода – при постепенном увеличении и уменьшении скорости пара. Статическое давление измерялось U -образными манометрами, соединенными с камерой импульсными трубками, установленными на различной высоте камеры.

Гидродинамические характеристики псевдоожиженного слоя определялись по изменению сопротивления слоя в зависимости от скорости пара и удельной нагрузки продукта на газораспределительную решетку ΔP = f(ϑ , q ), а также по изменению высоты слоя псевдоожиженного материала в зависимости от скорости пара и высоты неподвижного слоя h сл = φ(ϑ , h 0 ). Высота псевдоожиженного слоя характеризует величину активной поверхности тепло- и массооб-мена, поэтому наличие перечисленных параметров необходимо для правильной организации процесса сушки и обжарки овса.

Результаты и обсуждение

Гидравлическое сопротивление псевдоожиженного слоя не зависит от скорости пара и определяется равенством сил гидродинамического давления и сил, противодействующих псевдоожижению частиц, вызываемых трением потока пара о стенки камеры, его движения между частицами, соударением частиц между собой, а также поддержания слоя материала во взвешенном состоянии [5, 6]

^{N P} = G J F p = ( Р кр - P n ) . (1 - f ₀) • g . h o . (1)

Гидродинамика псевдоожиженного слоя наиболее наглядно изображается кривой псевдоожижения (рисунок 2) , на которой процесс перехода плотного слоя овса в псевдоожиженный отражается резким увеличением давления и зависит от состояния поверхности зерна, их формы и плотности слоя.

На рисунке 3 изображены зависимости перепада давления перегретого пара в слое овса влажностью W^с = 14% от скорости сушильного агента при различных значениях начальной высоты слоя h 0 .

Рисунок 2. Зависимость сопротивления слоя овса от скорости сушильного агента при различном значении начальной высоты слоя h 0 , мм: 1 – 20; 2 – 30; 3 – 40; 4 – 50

Figure 2. The dependence of the resistance layer of oats on the speed of the drying agent with different value of the initial layer height h 0 , mm: 1 – 20; 2 – 30; 3 – 40; 4 – 50

Пик давления ΔPmax свидетельствует о необходимости затраты дополнительной энергии потока на преодоление сил сцепления частиц. Ввиду того, что дополнительные затраты энергии при переходе от плотного слоя в псевдоожиженный не поддаются точному аналитическому расчету, они учитываются коэффициентом Rкрит, который определяется экспериментально. А.С. Гинзбург и В.А. Резчиков установили, что на величину этого коэффициента оказывает влияние плотность слоя, влажность материала и высота неподвижного слоя.

Увеличение скорости пара выше критического значения приводит к расширению объема слоя при постоянном гидравлическом сопротивлении. Переход от режима фильтрации к псевдоожиженному состоянию сопровождается появлением в слое газовых пузырей, которые барботируют через слой и изменяют его концентрацию и порозность. При этом гидравлическое сопротивление слоя колеблется около некоторого среднего значения, зависящего от величины удельной нагрузки, и определяется по формуле ∆P = Rкип ⋅G/Fp.            (2)

Значения коэффициента R кип , характеризующие равномерность псевдоожижения, при различных высотах слоя овса представлены в таблиц е 1.

Таблица 1.

Table 1.

Высота плотного слоя h 0 , мм The height of the dense layer, mm	Удельная нагрузка зерна на решетку q , Н/м2 Specific load of grain on the grid, n/m2	Гидравлическое сопротивление слоя Δ P , Н/м2 The hydraulic resistance of the layer, n/m2	Коэффициент R кип R boil ratio
20	189	385	0,79
30	207	670	0,88
40	236	930	0,91
50	297	1190	0,94

Значения коэффициента R кип овса

The values of the coefficient R for oats

Приближение значений коэффициента R кип к единице свидетельствует об улучшении равномерности псевдоожижения с увеличением удельной нагрузки овса на газораспределительную решетку за счет уменьшения каналообразования [7].

Порозность неподвижного слоя зерна овса определяется по уравнению

ε ₀ = 1 - ρ _н / r_з ,                (3)

где ρ н – насыпная плотность слоя овса, кг/м³; ρ з – плотность зерна овса, кг/м³.

Перепад давления в слое, необходимый для выбора дутьевого оборудования, определяли по формуле (4) при условии, что порозность ε ср постоянная по высоте слоя h , то

∆ P = (1 - ε ср ) ρ з gh .           (4)

где ρ з – плотность зерна овса, кг/м³; g – ускорение свободного падения, м²/с.

Уравнение для определения порозности псевдоожиженного слоя имеет вид:

ε ср = 1 –^{1 - ε 0},               (5)

K где К = Vкип/Vпл – отношение объема кипящего слоя к объему плотного слоя.

Границы существования псевдоожиженного слоя овса определяли по формуле

Re = ^{Ar ε 4,75} (6) 18 + 0,61 Ar ⋅ ε ^4,75

Отклонение расчетных данных по приведенным формулам от экспериментальных не превышало ± 18%, что является хорошей сходимостью.

Наиболее полно характеризует структуру монодисперсного материала в псевдоожиженном состоянии его порозность [8]. Основными параметрами, влияющими на ее величину, являются конструкция газораспределительной решетки, скорость потока сушильного агента, размер и влажность зерна овса.

Перед закипанием слой овса расширяется и представляет собой ориентированные по ходу движения сушильного агента зерна. Степень расширения зависит от коэффициента внутреннего трения.

В процессе сушки и обжарки овса степень расширения слоя влияет на распределение скоростей потока теплоносителя по всей площади газораспределительной решетки установки. Эта величина обуславливает минимально возможную скорость перегретого пара, обеспечивающую равномерное кипение овса в зоне загрузки и по всей площади газораспределительной решетки (рисунок 3) .

Для определения степени расширения слоя зерна овса на основе экспериментальных данных была установлена следующая зависимость

сушильного агента на изменение структуры псевдоожиженного слоя овса (рисунок 4) .

hj — = а + в—

h 0

J 0

,

где h – высота псевдоожиженного слоя овса, м; h 0 – высота неподвижного слоя овса, м; а и в – эмпирические коэффициенты определяемые экспериментально.

Рисунок 3. Зависимость степени расширения слоя зерна овса от числа псевдоожижения при различных высотах слоя, мм: 1 – 20; 2 – 30; 3 – 40; 4 – 50

Figure 3. The dependence of the degree of expansion of the layer of the oat grain the number of fluidization at different heights of the layer, mm: 1 – 20; 2 – 30; 3 – 40; 4 – 50

Рисунок 4. Зависимость величины p max /p ср от высоты псевдоожиженного слоя зерна овса при различных уд. нагрузках, н/м²: 1 – 189; 2 – 207; 3 – 236; 4 – 297 Figure 4. The dependence of p max / p ave of the height of fluidized bed grain oats with different specific load, n/m²: 1 – 189; 2 – 207; 3 – 236; 4 – 297

Однородность слоя зависит от свойств овса, скорости сушильного агента и конструктивных параметров установки. Поэтому изучено влияние удельной нагрузки овса на решетку и скорости

За критерий изменения структуры принималось отношение ( p max /p ср ) к высоте псевдоожиженного слоя овса. Из анализа кривых (рисунок 4) сделали вывод, что увеличение удельной нагрузки слоя овса на решетку способствует образованию более однородной структуры псевдоожиженного слоя.

Заключение

Анализ однородности и равномерности псевдоожижения монодисперсного слоя овса позволяет оценить его качество и выбрать оптимальный гидродинамический режим для проведения процесса сушки и обжарки.