Разработка экспериментальной установки для технологии вакуумно-импульсной сушки прессованного сена

Источник: Заготовка корма в рулонах. URL:

лоны с повышенной влажностью заготавливают путем активного вентилирования или с помощью специального приспособления помещают каждый рулон в отдельный полиэтиленовый мешок. Оба приема имеют определенные недостатки, поэтому не нашли широкого применения [4].

На сегодняшний день отсутствуют предложения по коренному изменению технологии заготовки кормов, например сушки свежескошенной травы и прессо- ванного сена. В связи с этим разработка более совершенных технологий заготовки сена и его сушки на специализированных сушильных установках обеспечивает получение конечного продукта с высокими качественными показателями и является важнейшей задачей в кормопроизводстве.

Особенно эффективно прессование подвяленной массы с последующим активным вентилированием (рис. 2). По данным ВИК, заготовка сена с применением ак- тивного вентилирования сокращает потери и повышает питательность корма на 20–30%, снижает затраты труда на 10–15%.

Для повышения качества сена важно максимально сокращать продолжительность досушивания за счет увеличения поглотительной способности воздухом влаги. Подогрев воздуха позволяет высушивать массу в более короткие сроки. Однако чрезмерное повышение температуры воздуха приводит к интенсивному нагреванию массы, снижению качества и связано со значительным расходом энергии.

Совершенствование технологий сушки на современном этапе может быть обеспечено также снижением относительной влажности сушильного агента, увеличением поверхности материала, комбинированным подводом тепла, повышением скорости подачи агента сушки, вакуумированием и т. п. [5; 6].

Современные исследования процесса сушки свидетельствуют о том, что одним из способов улучшения тепломассообмена является сочетание сушки и вакуумного воздействия. Именно технологии сушки с применением вакуума считаются достаточно новыми и находят применение в промышленности. Ее преимущество заключается в повышении интенсивности сушки при низких температурах. Кроме того при низких температурах предотвращаются нежелательные последствия чрезмерного нагрева материала, его разложение и окисление, а сам процесс происходит при относительно незначительных энергозатратах [7].

В связи с этим для роста эффективности досушивания прессованного сена предложена технология искусственной сушки в вакуумной сушильной камере с конвективным подводом нагретого воздуха и периодической принудительной вентиляцией. Технология основана на новом способе сушки волокнистых прессованных материалов, на который получен патент на изобретение [8; 9]. Преимуществом ее реализации является равномерная сушка рулона сена с высоким качеством [10; 11]. В состав необходимого оборудования для вакуумного способа удаления влаги входят сушильная камера, система создания вакуума, нагреватель, вентиляционное устройство. Технологическая схема, показывающая последовательность процесса сушки, представлена на рис. 3.

Для изучения вакуумной сушки растительного сырья разработано экспериментальное оборудование, которое позволило определить режимы и параметры протекания процесса. Работа данной технической системы характеризуется определенными физическими и эксплуатационными показателями.

Оборудование для осуществления технологического процесса получения качественного корма с использованием вакуумно-импульсного способа удаления влаги представлено в таблице.

Процесс вакуумного удаления влаги происходит благодаря последовательности проведения технологических операций:

– нагрев материала;

– продувка материала в камере с удалением поверхностной влаги;

ВХОДНОЙ КОНТРОЛЬ

СУШКА

ВЫХОДНОЙ КОНТРОЛЬ

НАГРЕВ

КОНВЕКТИВНАЯ СУШКА С ОДНОВРЕМЕННОЙ ОТКАЧКОЙ

ВАКУУМНАЯ СУШКА

Рис. 3. Технологическая схема процесса сушки

Источник: собственные исследования авторов.

Таблица. Используемое оборудование

Обозначение	Наименование	Кол-во	Назначение
ВЭ-1	Весы	1	Определение массы рулона сена
ТК	Влагомер сена	1	Определение влажности сена
СФО	Электрокалорифер	1	Нагрев подаваемого воздуха
–	Сушильная камера	1	Для сушки рулона сена
–	Ресивер	1	Запас вакуума
РВН	Вакуумный насос	1	Создание вакуума
МП3-У1	Вакуумметр	2	Измерение и контроль вакуума
ПР-4	Термометр (термопара)	2	Контроль температуры
Источник: собственные исследования авторов.

– работа вакуумного насоса и создание вакуума в ресивере;

– создание вакуума в рабочей зоне камеры и материала;

– вторичная продувка материала с дополнительным удалением влаги;

– охлаждение материала, продувка материала холодным воздухом.

Применяемое оборудование обеспечивает заданные режимы работы данной технологии. Механизм для осуществления процесса может иметь периодичность циклических операций на создание вакуума в рабочей зоне камеры и включать вторичную продувку материала для удаления влаги в зависимости от продолжительности сушки.

В соответствии с рабочим процессом сушки основной интенсивный нагрев обеспечивается конвективным способом. При этом на первой стадии происходит удаление свободной (капиллярной) влаги. На второй стадии удаляется связанная (гигроскопическая) влага, которая удерживается на уровне физико-химических связей. Ее удаление из объемной массы травы весьма затруднено и связано с большими затратами энергии.

Исследовано использование вакуума в сочетании с конвективной сушкой рулонов сена. Рулоны сена плотностью 100 кг/м3 имеют низкий коэффициент теплопроводности λ = 0,053 Вт / (м·°С) для сухого и 0,11 Вт / (м·°С) для влажного сена. Сушка осуществляется при подаче теплоносителя с температурой 50–70 °С. Определено, что эффективность влияния низкого вакуума (порядка 20–30 кПа) на процесс сушки рулонов сена ярко выражен для стадии удаления связанной влаги. В результате опытной проверки сравнивались различные варианты сушки прессованного сена в рулонах.

В первом варианте проводился нагрев материала при создании периодического вакуума в сушильной камере (Р = 20 кПа) с периодической продувкой нагретым воздухом от подачи теплоносителя для отвода влаги (метод вакуумно-конвективной сушки – опыт № 1). Во втором варианте происходили нагрев материала и продувка (конвективная сушка – опыт № 2).

На рис. 4 представлен общий вид экспериментальной установки (на переднем плане – вакуумная сушильная камера с системой контроля температуры и влажности материала). Компоновка и монтаж основного экспериментального оборудования выполнены в соответствии с приведенной технологической схемой.

Установка для сушки прессованного сена содержит вакуумную камеру 1, вакуумный насос 2, ресивер и тепловую установку, имеется система контроля температуры и влажности материала, а также вакуумметры.

Рис. 4. Общий вид экспериментальной установки

Источник: собственные исследования авторов.

Рис. 5. Экспериментальные кривые (w – влажность материала, %; 1 – опыт № 1; 2 – опыт № 2)

Источник: собственные исследования авторов.

Нагрев теплоносителя устанавливается и поддерживается автоматически с помощью термометрического регулятора. Вакуум в камере создается при помощи насоса РВН 40/350.

По результатам исследований проведено сравнение процесса при вакуумном удалении влаги с конвективной сушкой нагретым воздухом, который принят в качестве базового. На рис. 5 приведены экспериментальные кривые, которые отражают процесс удаления влаги при воздействии вакуума – опыт № 1 и обычной конвективной сушке – опыт № 2 при температуре 60 °С. Для эффективного процесса удаления влаги после сброса вакуума происходит периодическая принудительная вентиляция рулона сена. Таким образом, создаются периоды вакуумного воздействия. Они повторяются с выдержкой времени, чтобы выделить влагу из материала с нагревом до 60 °С.

Для эффективного процесса сушки прессованного сена и удаления поверхностной влаги материала целесообразно применять нагрев при незначительном вакууме путем конвективной сушки, а внутреннюю влагу удалять при высоком вакууме. Необходимый уровень создаваемого вакуума и нагрев материала характеризуют особый режим сушки, параметры которого являются основным критерием для определения эффективности всего процесса и зависят от условия вакуумного воздействия на влажный материал и температуры нагрева. Сушка в вакууме снижает потери тепла с отработанным сушильным агентом, поскольку позволяет лучше уловить пары, выделяющиеся из материала. Благодаря применению вакуума процесс сушки проходит более интенсивно, чем при атмосферном давлении, так как содержание влаги в воздухе возрастает с понижением давления. Влага активно удаляется в первый период сушки, когда температура материала близка к температуре насыщения при данном разрежении.

Увеличить скорость испарения влаги в вакуумной сушке можно с помощью повышения температуры теплоносителя, используемого для нагрева материала, а также увеличения степени разрежения. Как видно из графиков, процесс удаления влаги за счет вакуума с воздействующим нагревом материала происходит более интенсивно.

Метод досушки сена в рулонах предусматривает режим работы оборудования и определяет процесс удаления влаги в вакууме:

– при влажности 30–35% в сене присутствует поверхностная влага, необходимо использовать продувку для удаления испаряемой влаги из открытого пространства сушильной камеры или на выходе создавать вакуум порядка 90 кПа;

– при влажности 22% увеличивается сила, удерживающая влагу; для удаления внутренней влаги необходимо обеспечить повышенный вакуум в замкнутом пространстве камеры Р = 20 кПа.

Для досушивания рулонов прессованного сена из провяленной травы нагрев должен соответствовать значениям температуры, при которой активно протекает процесс удаления влаги. Установлено, что в начале процесса сушки при наличии поверхностной, наружной влаги 30–35% можно повышать температуру теплоносителя до 70 °С, причем с интенсивной продувкой температура материала от удаления влаги снижается, дополнительно охлаждая материал не более чем на 10 °С.

Выводы

Скорость удаления влаги во многом зависит от того, насколько теплоноситель в объемном пространстве камеры насыщен в данный момент влагой. При создании вакуума в камере влага из материала в виде насыщенного пара выделяется более интенсивно. Процесс удаления влаги за счет вакуума с предварительным нагревом материала происходит почти в 1,5–2 раза быстрее, чем при конвективной сушке. Это поможет сократить общее время на сушку и снизить потребление электроэнергии.

В результате внедрения в производство данная технология досушки рулонов позволит получать высококачественный объемистый корм в условиях Европейского Севера Российской Федерации.