КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ОСНОВНЫХ ТИПОВ СУШИЛОК.

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

Вальцовые сушилки. В этих сушилках теплота передается от на­гретой поверхности их исполнительного органа к высушиваемому материалу при непосредственном соприкосновении. Они имеют два вращающихся один навстречу другому полых барабана и поэтому называются двухвальцовыми. Один из барабанов находится в подвижных подшипниках, что позволяет регулиро­вать зазор между барабанами, а следовательно, и толщину пленки высушиваемого материала.

Продукт, подлежащий сушке, подается питателем на рабочую поверхность барабанов и образует на их поверхности тонкую пленку. По мере вращения барабана продукт высушивается, 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. Состоят из сушильной камеры (рис. 9.1, б), 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. Это достигается разбрызгиванием через форсунки под большим давлением, пневматическим распылением с помощью сжатого воздуха или центробежных рас­пылителей. Благодаря высокой дисперсности продукта и большой поверхности контакта с сушильным агентом продолжительность сушки в таких аппаратах невелика. В качестве теплоносителя слу­жит очищенный в фильтрах и нагретый до 135...140°С в калори­ферах воздух. Направление его движения относительно распыляе­мого продукта может быть прямоточным, противоточным и пере­крестным.

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-камеры и вентилятором удаляется в атмосферу.

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

При использовании прямоточного метода распыления молоко (молочный продукт) и сушильный агент (горячий воздух) движут­ся параллельно: при подаче высушиваемого продукта и воздуха — сверху, при подаче высушиваемого продукта и возду­ха — сбоку и вращательном движении потока при по­даче высушиваемого продукта и воздуха — снизу. 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 отходящим воздухом. Боковая подача высу­шиваемого продукта и воздуха с вращательным движением возду­ха улучшает смешивание продукта с воздухом и делает сушку бо­лее экономичной.

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

В сушилках с противотоком при высушивании тер­мочувствительных материалов температура поступающего воздуха не может быть доведена до того же уровня, 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 воздуха и уменьшить расход пара. Кроме того, с отходящим воздухом уносится меньшее количество порошка. Гра­нулы (частички пылевидного продукта) получаются более проч­ные, чем при прямоточном методе сушки. При данном методе ча­стицы высушиваемого материала встречают горячий воздух в кон­це своего пути, когда влажность их минимальна, а температура га­зов 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 конечного продукта. Суш­ку в противотоке можно вести с подачей жидкости сверху и возду­ха снизу или наоборот.

В сушилках со смешанным потоком сушка проте­кает при такой скорости воздуха, когда более крупные частицы оседают на дно камеры и лишь мелкие уносятся с отработавшим воздухом, что позволяет избежать перегрева мелких частиц и под­держивать более высокую температуру сушки, чем при противото­ке. В сушилках со смешанным потоком достигается более высокая влажность отходящего воздуха, и, следовательно, такие сушилки более экономичны. Однако готовый продукт получается менее од­нородным по влажности.

Работа сушилок при смешанном потоке может осуществляться по различным схемам: цилиндрической сушилки с дисковым рас­пылением (см. рис. 9.2, д) и конической сушилки, работающей по типу циклона — горячий воздух в нее подается тангенциально. В результате трения воздуха о стенки камеры по­ток двигается винтообразно, что обеспечивает хорошее перемеши­вание частиц с воздухом.

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 с помощью 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 том же диаметре сопла форсун­ки. Следует отметить, что работа с использованием форсунок с уменьшенным выходным отверстием усиливает их сопротивле­ние, что влечет за собой повышение давления подаваемого про­дукта и улучшение степени распыления.

Механическая форсунка состоит из корпуса, крышки и шайбы. Внутри форсунки установлен конус с канавками, иду­щими 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.

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

Недостатком механических форсунок является 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. Поэтому при разработке распылительных су­шилок ориентируются на использование центробежного способа распыления продукта. В этом случае распыление осуществляется центробежным диском с внутренними радиально расположенны­ми канавками.

Высушиваемый продукт самотеком поступает внутрь диска, вращающегося с большой скоростью, 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 его вибрации. 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 распы­лительных сушилках окружная скорость 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 распыления продукта уменьшаются. Кроме того, создаются благоприятные условия для движения распыляемого продукта и горячего воздуха; можно повысить производительность сушилок, не увеличивая их размеров.

Виды различных распылительных центробежных дисков пока­заны на рис. 9.4. 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 составляет 133...167 с^-1, но может быть доведена до 500 с^-1. При этих условиях диаметр частиц распыляемого продукта может составлять (10...20) 10⁶м.

Рис. 2.35.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 с помощью электромеханического привода с повышающим редуктором чер­вячного, фрикционного или зубчатого типа, паровой или пневма­тической турбины, а также высокочастотного электродвигателя с водяным охлаждением, работающего от тока повышенной частоты (до 200 Гц). Последний способ более надежен, так как обеспечива­ет стабильность распыления, благодаря чему увеличивается коли­чество растворимых белковых веществ в готовом продукте при бо­лее высокой влажности.

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 изменением диаметра сечения отвер­стия форсунки и давления жидкости, в дисковых сушилках это сделать не удается. 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 воздухом уносятся мелкие частицы высушенного продукта. Унос продукта с отработавшим 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 необходимо предусмотреть очистку воздушных выбросов.

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

Рукавные фильтры 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.

Рукава прикреплены нижней частью к перегородке, а верх­ней — к дискам, подвешенным к раме. Она 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. Эта часть соединена си­стемой рычагов со стержнем, на который надета пружина. Воздух поступает в фильтр по воздуховоду и, отсасываемый центробежным вентилятором, попадает в рукав через верхнюю часть кожуха. Поро­шок оседает на внутренней поверхности натянутых рукавов, в которых создается разрежение.

В верхней части фильтра расположен делающий один оборот в течение 2...3 мин вал 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 рука­вов 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 санитарно-гигиеническим требовани­ям.

Циклон 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. Последний приводится во вращение от индивидуального электро­двигателя с редуктором через цепную пе­редачу. Циклон устанавливают на четырех опорах, опуская конусную часть в проем перекрытия. Освобожденный от основно­го количества взвешенных примесей воз­дух из циклона через выводную трубу отсасывается вентилятором. 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. Развивающиеся при этом центробежные силы отбрасывают твердые частицы к стенке циклона, по которой они сползают в его нижнюю часть, а оттуда в бункер. Очищенный воздух удаляется из циклона через выводную трубу, расположенную в верхней части циклона.

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

В каждый из циклонов из сушильной камеры проходит около 1б000м³/ч отработавшего воздуха при температуре 6О...7О°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 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 щелей 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 сушилки. Они обычно имеют вид шкафа в котором на стеллажах или ситах высушивается материал. Су­шилка имеет принудительную циркуляцию теплоносителя и мо­жет выполняться с одним или несколькими подогревателями воз­духа.

В этих сушилках воздух с помощью вентилятора подается на основной подогреватель и в камеру сушилки, в которой на полках находится высушиваемый материал. Проделывая зигзагообразный путь, воздух дополнительно подогревается в теплообменниках. Отработавший воздух выходит через трубу в верхней части сушил­ки. Часть этого воздуха может быть возвращена через регулирую­щий шибер.

Ленточные сушилки. В пищевой промышленности применяют четырех- и пятиярусные сушилки. Сушилки работают при атмосферном давлении.

Рис.2.36.Сушилки для молока и молочных продуктов:

а — камерная: 1 — теплообменники; 2 — вентилятор; 3 — подогреватель; 4 — шибер; 5 — полки; б — ленточная: / — конвейер; 2— нагреватель; .?— вентилятор; 4 — труба

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 воздух удаляется с помощью зонта и трубы. Скорость движения ленты регулируется вариатором в пре­делах 0,1...0,7 м/мин.

Барабанные сушилки. Основной их частью является барабан (рис. 9.8, а), 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 с помо­щью зубчатого венца, надетого на барабан и находящегося в за­цеплении с зубчатым колесом редуктора. Частота вращения бара­бана 1...8 мин¹. Диаметр его зависит от производительности су­шилки и составляет 1200...2800 мм.

Барабанные сушилки используют при сушке таких сыпучих ма­териалов, как молочный сахар и казеин. 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. Они работают при остаточном давле­нии 0,1...0,3 кПа. Процесс сушки осуществляется при отрицатель­ных температурах, и вода в продукте находится в виде льда. При этом испарение влаги происходит без его плавления, т. е. сублима­цией. Аппарат относится к сушилкам периодического действия, состоит из сублиматора (сушильной камеры), десублиматора (конденсатора-вымораживателя) и вакуум-насоса. Не­обходимой частью 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 размещаются про­тивни с высушиваемым продуктом.

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 —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°С. При нагревании продукта до 4О...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. Их можно применять для сушки казеина и других пищевых продуктов.

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

Сушилки в вихревом псевдоожиженном слое могут быть одно-и многокамерные. Некоторые сушилки комплектуют перемеши­вающими устройствами, которые препятствуют образованию ко­мьев высушиваемого продукта.

Однокамерная сушилка работает следующим образом. По воз-духоводам воздух вентилятором подается в блок калориферов и нагревается до 110...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 каждая камера имеет свои параметры теплоносителя. При этом между камерами име­ются перегородки, которые препятствуют смешиванию разного по степени сухости продукта. На рис. 9.8, г представлена сушилка с перемешивающим устройством. Нагретый воздух подается под ре­шетку в первую зону. Он 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%.