Лекция №1

Лекция №1

Выпечка – нестационарный процесс теплообмена с изменением агрегатного и коллоидного состояния материала, сопровождающийся перемещением и испарением влаги.

В пекарной камере происходят все виды передачи теплоты к тестовым заготовкам (излучение, конвекция и теплопроводность). Под воздействием теплоты и влаги в тесте протекают взаимосвязанные между собой физические, биохимические, микробиологические и коллоидные процессы.

Управление процессами, протекающими при выпечке хлеба, с целью повышения его качества и одновременно снижения энергопотребления при его производстве является одним из путей решения важной народнохозяйственной задачи.

В этой связи перед хлебопекарной промышленностью нашей страны стоит большая задача по замене устаревших конструкций печей новыми, с автоматическим регулированием теплового режима выпечки, обеспечивающими высокое качество хлеба при снижении потребления топлива, пара и электроэнергии.

В нашей стране применение прогрессивных видов топлива (газового и жидкого) позволило также осуществить внедрение хлебопекарных печей с рециркуляцией продуктов сгорания. Это внедрение идет по двум направлениям: разработка отечественных конструкций, например ВНИИХП-П-2, ВНИИХП-25 (разработанные ВНИИХПом), ПХС-25, ПХС-40 (разработанные ВНИИХПом и Шебекинским машзаводом), ПХК-16, ПХК-25, ПХК-50 (разработанные КТИППом и Шебекинским машзаводом), РЗ-ХПА (разработанные МТИППом, ВНИИХПом и Шебекинским машзаводом и закупка печей за рубежом.

В настоящее время в эксплуатации находится очень много печей разных конструкций, с различной шириной и рабочей площадью пода, производительностью и т. п. При проектировании. машин и механизмов для поточных линий возникают большие затруднения в увязке их с основным технологическим агрегатом, каким является печь.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРОЦЕССА ВЫПЕЧКИ

Выпечка хлеба и других мучных изделий является сложным; процессом, протекающим под воздействием теплоты и влаги. Внутри тестовой заготовки и на ее поверхности возникает сложный комплекс физических, коллоидных, микробиологических и биохимических процессов. В результате этих процессов в тесте происходят глубокие качественные изменения, и оно превращается в - готовый продукт — хлеб.

В пекарной камере происходят все виды передачи теплоты к тестовым заготовкам: излучением от поверхностей нагрева, конвекцией — от парогазовой среды пекарной камеры и теплопроводностью — от пода к нижней поверхности тестовой заготовки. Передача теплоты излучением составляет от 70 до 90% и является определяющей при выпечке.

Прогрев тестовых заготовок, а также процессы, протекающие в тесте-хлебе при выпечке, являются нестационарными. Продолжительность и интенсивность процессов, протекающих в любом слое теста-хлеба, зависят от температуры в этом слое. Скорость протекания процессов (биохимических, микробиологических и др.) зависит от скорости изменения температуры в соответствующем слое тестовой заготовки. Поэтому оптимальная скорость прогрева теста-хлеба на различных этапах выпечки играет определяющую роль в получении хлеба высокого качества.

НАГРЕВ ТЕСТА-ХЛЕБА ПРИ ВЫПЕЧКЕ

В пекарной камере печи тестовая заготовка проходит различные этапы тигротермической обработки. Процесс выпечки включает в себя операцию увлажнения тестовых заготовок и теплообмен излучением, конвекцией и теплопроводностью. На выпечку хлеба оказывает влияние вентиляция в пекарной камере.

Кинетика тепло - и массообмена в пекарной камере с тестом-хлебом обусловливает важные качественные показатели хлеба: объем и форму хлеба, пропеченность, толщину, окраску и глянцевитость корок, аромат и вкус хлеба.

Одним из важных показателей качества хлеба, особенно подового, являются его объем и форма. Эти показатели в большой степени зависят от процесса гигротермической обработки изделий в зоне увлажнения и от теплообмена в пекарной камере. На объем и форму хлеба существенное влияние оказывают структурно-механические свойства теста.

Для удобства изучения и расчета целесообразно весь процесс выпечки разделить на три периода, каждый из которых характе­ризуется определенными процессами в тесте-хлебе, присущими данному периоду.

ПЕРВЫЙ ПЕРИОД ВЫПЕЧКИ

Одним из ответственных периодов процесса выпечки является первый период. Он начинается с момента поступления тестовой заготовки в зону увлажнения пекарной камеры. В зону увлажнения при помощи пароувлажнительного устройства подается равномерно распределяемый насыщенный пар низкого давления (0,1—0,15 МПа). В зоне увлажнения создается паро-воздушная смесь с высокой концентрацией пара. Относительная влажность среды составляет: j =%. На холодной поверхности тестовой заготовки в зоне увлажнения происходит конден­сация пара. При этом за счет фазового перехода выделяется зна­чительное количество теплоты. В атом периоде выпечки происхо­дит интенсивный внешний тепло - и массообмен, в результате ко­торого осуществляется прогрев тестовой заготовки. Температура на ее верхней и боковой поверхности (у подовых сортов хлеба) быстро возрастает, и когда она достигает значения температуры точки росы, процесс конденсации пара прекращается. Этот момент является окончанием первого периода выпечки. На графике (рис. 3.1, а) он обозначен точкой 1 пересечения кривых: температуры поверхности тестовой tп. в. заготовки и температуры точки росы tp.

Масса тестовой заготовки в первом периоде увеличивается за счет массы сконденсировавшегося на ее поверхности пара. Поэтому в момент окончания конденсации масса тестовой заготовки становится максимальной, (см. точка 1). Затем масса тестовой заготовки постепенно убывает в связи с испарением влаги с поверхности и из поверхностного слоя тестовой заготовки.

В первом периоде выпечки возникают наибольшие тепловые потоки: на верхней поверхности при конденсации пара – в результате фазового перехода, на нижней поверхности – благодаря теплопроводности при контакте нижней поверхности заготовок с горячим подом. Плотность тепловых потоков на поверхности тестовых заготовок может достигать 5 – 9 кВт/м2. Процесс конденсации пара продолжается от 1 до 3 минут.

Посадка тестовых заготовок происходит на горячий под, поэтому в первый момент времени нагрев нижней поверхности изделия происходит за счет теплоты, предварительно аккумулированной подом. При дальнейшей выпечке под получает теплоту от поверхности нагрева, температура его повышается и увеличивается плотность теплового потока к нижней поверхности тестовой заготовки.

Воздействие теплоты и влаги конденсата на тестовую заготовку приводит к изменению ее структурно-механических свойств. Увеличение влажности поверхностных слоев пшеничного и ржаного теста и прогрев их до температуры°С заметно понижают его вязкость; и оно становится более подвижной жидкообразной системой. Это приводит к расплыванию тестовой заготовки и потере формоудерживающей способности. В этом периоде увеличение объема тестовой заготовки происходит в основном за счет увеличения ширины и длины. Увеличение ее высоты происходит незначительно в конце первого периода.

В начале второго периода выпечки прекращается конденсация пара на поверхности тестовой заготовки и начинается испарение конденсата с ее поверхности. Этот процесс происходит с отбором теплоты извне и от массы тестовой заготовки, что приводит к понижению температуры поверхности (участок 1 – 2 на кривой). На этом участке наблюдается самое интенсивное испарение конденсата, что приводит к уменьшению массы тестовой заготовки (участок 1а—2а на кривой т).

При некоторых режимах выпечки снижения температуры поверхности теста-хлеба на этом участке кривой не наблюдается. Это происходит в том случае, когда затрата теплоты на испарение конденсата компенсируется подводом теплоты к поверхности.

Во втором периоде выпечки начинается углубление зоны испарения, сопровождающееся повышением температуры теста-хлеба. Происходит испарение из поверхностных слоев влаги макро - и микрокапилляров и адсорбционно связанной влаги. Это приводит к замедлению испарения влаги.

При углублении зоны испарения образуется частично обезвоженный слой. К концу второго периода влажность этого слоя значительно снижается, теплопроводность уменьшается (по сравнению с мякишем в 3 - 4 раза), а температура «поверхности теста-хлеба достигает 100°С и выше. На поверхности теста-хлеба наступает начальная фаза образования корки.

Начало образования корки соответствует температуре поверхности °С, при которой изменяется окраска поверхности и происходит стабилизация размеров и объема выпекаемого изделия. Этот момент становится границей второго и третьего периодов выпечки. На графике эта граница показана точкой 3.

Во втором периоде выпечки интенсивно протекает процесс увеличения объема хлеба и образование формы подового хлеба. В этом периоде увеличивается высота и уменьшается ширина, а иногда и длина подового изделия. Это ответственный период выпечки. От правильной организации первого и второго периодов процесса выпечки зависят такие важные характеристики качества хлеба, как его объем, форма, глянцевитость поверхности, отсутствие трещин и подрыва корок.

Продолжительность второго периода выпечки может изменяться и зависит от интенсивности теплообмена в пекарной камере. Чем больше плотность теплового потока на поверхности изделия, тем короче второй период. Чем меньше продолжительность второго периода, тем быстрее образуется корка и заканчивается увеличение объема хлеба. При этом хлеб получается небольшого объема.

Для получения хлеба большого объема необходимо увеличить продолжительность второго периода и плотность теплового потока должна возрастать к концу второго - началу третьего периода.

При выпечке хлеба из ржаной муки необходимо быстрое образование плотной оболочки из мякиша, которая будет выполнять роль формоудерживающего каркаса. Для образования этой оболочки необходим интенсивный подвод теплоты сразу же за зоной увлажнения.

Третий период выпечки наступает с момента образования корки, когда температура ее поверхности достигает °С. Окраска верхнего, частично обезвоженного слоя теста-хлеба, превратившегося в корку, изменяется в результате образования меланоидинов. К этому времени внутренние слои теста-хлеба превращаются в мякиш, хотя еще полностью и не пропеченный. Образо­вание корки и структуры мякиша препятствует дальнейшему увеличению объема хлеба. К этому моменту заканчивается увеличение объема хлеба и изменение его геометрических размеров (иногда к концу третьего периода наблюдается небольшое снижение высоты из-за усадки теста-хлеба).

В третьем периоде выпечки происходит углубление зоны испарения, расположенной на границе подкоркового слоя и мякиша. Температура зоны испарения постоянна (98—100°С).

Сопротивление выходу пара оказывает тонкий поверхностный слой корки толщиной 0,08—0,10 мм. Более глубокие слои корки и мякиша имеют скважистую структуру и заметного сопротивления пару не оказывают.

С образованием корки снижается интенсивность испарения влаги.. Скорость испарения влаги в этом периоде становится постоянной.

Подвод теплоты как к верхней, так и к нижней поверхности теста-хлеба происходит по убывающей кривой. Температура поверхности теста-хлеба в третьем периоде продолжает увеличиваться, а к концу периода снижается.

В третьем периоде продолжается прогрев внутренних слоев теста-хлеба. При достижении в центральных слоях температуры°С мякиш считается полностью пропеченным, и процесс выпечки на этом заканчивается (точка 4).

В ряде стран, например в Чехословакии и Польше считают необходимым после достижения температуры центра мякиша 98°С выпекать хлеб еще некоторое время (дополнительно еще 2 –10 мин в зависимости от сорта хлеба) для получения хорошо припеченного мякиша и лучшего аромата и вкусовых качеств хлеба.

Лекция № 2

Классификация печей.

Основные конструктивные элементы и механизмы современного печного агрегата

Современная промышленная печь хлебопекарного и кондитерского производства представляет собой сложную совокупность теплотехнических, транспортно-механических и автоматических средств регулирования. Техническими данными печного агрегата определяется возможность выпечки широкого ассортимента изделий высокого качества при условии умелой наладки и рациональной эксплуатации.

Классификация оборудования

Печи, применяемые для кондитерского и хлебопекарного производства, классифицируются:

- по технологическому признаку (универсальные и специализированные);

- по производительности (малой производительности с площадью пода до 8 м2, средней производительности – до 25 м2, большой производительности – свыше 25 м2);

- по способу обогрева пекарной камеры (жаровые, с канальным обогревом, с пароводяным обогревом, с газовым обогревом, с электрообогревом, со смешанным обогревом);

по типу пекарной камеры (тупиковые, сквозные, туннельные);

- по степени механизации (со стационарным подом, с выдвижным подом, с конвейером подачи и электроприводом).

Технологический признак определяет специализацию печи и ассортимент вырабатываемой продукции. По специализации современные печи и печные агрегаты разделяются на хлебопекарные, кондитерские, бараночные, пряничные, для выработки национальных и специальных сортов мучных изделий. По ассортименту вырабатываемой продукции печные агрегаты можно разделить:

- универсальные печи (могут вырабатывать хлебобулочные, кондитерские, бараночные изделия различных сортов и массы в широком диапазоне);

- специализированные печи и агрегаты (вырабатывают ограниченный ассортимент баранок, печенья, пряников, формовых сортов хлеба или определенные подовые сорта хлебобулочных изделий).

По способу обогрева пекарной камеры все печи разделяются на следующие виды:

- печи с регенеративным обогревом (жаровые печи, в которых рабочая камера одновременно является и топочной камерой, в которых периодически сжигается определенная порция топлива);

- печи с канальным обогревом (теплоносителем являются продукты сгорания, проходящие по системе каналов, через поверхность теплообмена которых теплота передается в пекарную камеру к тесту-хлебу);

- печи с пароводяным обогревом (теплоносителем является пароводяная смесь высокого давления, циркулирующая в толстостенных нагревательных трубках);

- печи с газовым обогревом (этот способ обеспечивает сжигание газа в пекарной камере);

- электрические печи (используют трубчатые электронагреватели, светлые излучатели, токи высокой частоты, а также контактный способ прогрева);

- печи с комбинированным (смешанным) обогревом (используется комбинация каналов и пароводяных трубок, а также другие варианты способов обогрева).

Пекарные камеры современных печей бывают двух типов:

- тупиковые (посадка тестовых заготовок на под и выгрузка готовой продукции производятся через одно и тоже посадочное отверстие);

- проходные (посадка и выгрузка продукции осуществляется через отверстия, расположенные с противоположных сторон печи, и при двухниточном конвейере образуется наибольшая холостая ветвь, примерно равная половине всей его длины).

В печах с пластинчатым, ленточным или сетчатым конвейером проходная пекарная камера имеет форму длинного туннеля высотой 300…400 мм и называются туннельными.

Рисунок печи Р3 - ХПА

Элементы и механизмы печного агрегата

К основным элементам печного агрегата относятся следующие: пекарная камера, топка, теплопередающие устройства, под печи, ограждения и др.

Описание элементов и механизмов печного агрегата сделано на примере хлебопекарной печи Р3-ХПА с тупиковой пекарной камерой, канальным обогревом и применением рециркуляции продуктов сгорания.

Печь состоит из тупиковой пекарной камеры 3, топочного устройства 9, трубчатых обогревательных каналов: канала № 1 (4), канала № 2 (5) для обогрева теста-хлеба на верхней ветви 6 конвейера и двух каналов - № 3 (12) и № 4 (11) для обогрева теста-хлеба на нижней ветви 10 конвейера.

Внутри пекарной камеры размещены пароувлажнительное устройство 1 и люлечно-подиковый конвейер с верхней ветвью 6 и нижней 10. Конвейер приводится в движение приводным валом 15, на котором закреплены ведущие звездочки 14. Натяжение цепей конвейера осуществляется натяжным валом 7 и ведомыми звездочками 8.

Втулочно-роликовые цепи конвейера поддерживаются верхними 2 и нижними 13 направляющими из уголковой стали, которые крепятся к консоли из уголков. К цепям с шагом звена 140 мм через каждые три звена шарнирно подвешено 36 люлек длиной 2000 мм и шириной 350 мм с вкладными подиками из листовой стали. При выпечке формового хлеба могут использованы узкие люльки размером 2000´220 мм. Такие люльки подвешиваются через каждые два звена (280 мм). Число таких люлек на конвейере 54.

Движение конвейера прерывистое, управление продолжительностью останова и пуском конвейера осуществляется при помощи реле времени. Останов конвейера осуществляется при помощи устройства, состоящего из кулачка, укрепленного на валу червячного колеса редуктора. После полного оборота колеса кулачок своим выступом нажимает на шпиндель концевого выключателя, разрывает цепь и обесточивает катушку магнитного пускателя. Вследствие этого электродвигатель останавливается и движение конвейера прекращается.

Электродвигатель включается при помощи реле времени, позволяющего регулировать продолжительность оборота печного конвейера в зависимости от выпекаемого ассортимента и массы изделий.

Техническая характеристика печного агрегата Р3-ХПА

Производительность, т/сут.

па нарезным батонам массой 0,4…0,5 кг 13…15

по формовому хлебу 20…22

Рабочая площадь пода, м2 25,2

Число люлек 36

Ширина пода (длина люльки), мм 2000

Шаг цепи люлечного конвейера, мм 140

Пределы регулирования продолжительности выпечки, мин. 10…100

Вид топлива газ, жидкое

Удельный расход условного топлива, кг на 1 т хлеба 27…30

Расход пара (при выпечке пшеничных сортов хлеба), кг/ч 50…120

Установленная мощность электродвигателей, кВт

привода конвейера 1,1

дымососа 2,2

транспортера готовой продукции 0,55

Суммарная мощность электродвигателей, кВт 3,85

Габаритные размеры, мм 7900´3300´2800

Масса, т 12

Пекарная камера является важнейшим элементом печного агрегата, в котором сосредоточены теплообменные и увлажнительные устройства, средства для перемещения продукции, элементы автоматических устройств и другие приспособления.

В пекарной камере происходит процесс выпечки. Чтобы обеспечить выпечку продукции высокого качества, в пекарной камере должны быть созданы оптимальный тепловой режим и оптимальный режим увлажнения тестовых заготовок и среды пекарной камеры.

В агрегатах с тупиковыми пекарными камерами посадка тестовых заготовок и выгрузка готовых изделий производится с одной стороны, через одно и то же окно. В пекарной камере располагается четное число рабочих ветвей конвейерного пода: две или четыре.

В агрегатах с тоннельными пекарными камерами посадка тестовых заготовок производится с одной стороны, а выгрузка готовых изделий с противоположных.

В пекарной камере тоннельной печи две ветви пластинчатого или сетчатого конвейерного пода: верхняя – рабочая, нижняя – холостая ветвь.

В агрегатах с проходными пекарными камерами посадка тестовых заготовок и выгрузка готовых изделий производится с противоположных сторон – так же, как и в тоннельной печи. В пекарной камере таких агрегатов располагается нечетное число рабочих ветвей люлечно-подикового конвейера: три, пять, реже семь. Холостая ветвь конвейера во многих случаях располагается вне пекарной камеры.

В пекарной камере при выпечке хлеба происходит естественная вентиляция, чрезмерная интенсивность которой отрицательно отражается на качестве выпекаемой продукции, значительно увеличивается расход пара для увлажнения и расход теплоты на нагрев холодного вентиляционного воздуха, поступающего в пекарную камеру. Для снижения интенсивности вентиляции применяют ряд конструктивных мероприятий. Зоне увлажнения придается конфигурация, соответствующая типу пекарной камеры.

К конструкциям пекарных камер предъявляют также обязательное требование – герметичности стен и ограждений. Это достигается путем применения уплотнительных устройств и обмазок для внутренних поверхностей кирпичных стенок.

Таким образом, конфигурация пекарной камеры, расположение в ней контуров обогрева и увлажнительных устройств относительно печного конвейерного пода, конструкция стенок, степень тепловой инерции определяют технологические, теплотехнические и аэродинамические характеристики пекарной камеры – основного элемента печного агрегата.

У большинства промышленных печей имеется одна или несколько топок или специализированных топочных устройств. В топках сжигается твердое, жидкое и газообразное топливо. Топки и специализированные топочные устройства хлебопекарных печей характеризуются небольшим размерами и относительно малым расходом топлива (10…75 кг/ч условного топлива). Топки печей делятся на две основные группы, к первой из которых относятся слоевые топки для сжигания твердого топлива, ко второй – камерные топки для сжигания газа или жидкого топлива. Ко второй группе относятся также топочные устройства хлебопекарных печей с рециркуляцией продуктов сгорания.

Слоевые топки бывают двух типов: к первому из них относятся топки, совмещенные с нижним каналом печи (например, топки печей ФТЛ-2, ФТЛ-20 и др.), а также вертикальные топки печей с пароводяным или комбинированным обогревом (в печах АЦХ, ХПА-40 и др.). Слоевые топки пригодны также для сжигания газового и жидкого топлива.

Для сжигания газа в топках хлебопекарных печей применяются газовые горелки трех типов: инжекционные низкого давления, инжекционные среднего давления и внутреннего смешения низкого давления с принудительной подачей воздуха.

Для сжигания жидкого топлива нашли применение форсунки с паровым и воздушным распылителями.

Устанавливаемые в пекарной камере печи теплообменные устройства, служат для передачи теплоты от теплоносителя в пекарную камеру и к тесту-хлебу. Вид и свойства теплоносителя и способ регенерации теплоты определяют конструкцию теплообменного устройства.

В печах применяют следующие теплообменные устройства: каналы, пароводяные трубки, паровые радиаторы, электронагреватели, лампы для ИК-нагрева, специальные горелки с керамическими насадками и др.

В печах с инфракрасным излучением значительно сокращаются по сравнению с другими печами продолжительность выпечки (почти в два раза), потери от упека на 60…70 % и расход электроэнергии. При использовании тока высокой частоты тепло генерируется внутри выпекаемого изделия и процесс выпечки не зависит от температуры окружающей среды.

Лекция № 3

Гигротермическая обработка тестовых заготовок и увлажнительные устройства.

Тепловой баланс печного агрегата.

Влияние увлажнения тестовых заготовок на качество выпекаемых изделий

Гигротермическая обработка тестовых заготовок при выпечке хлеба имеет важное значение и связанна с качеством продукции. От эффективности проведения процесса увлажнения зависят многие качественные характеристики хлеба: объем, пористость, глянцевитость и окраска корки, форма хлеба и т. п.

Увлажнение поверхности тестовых заготовок в основном осуществляют при помощи насыщенного пара низкого давления, подаваемого в зону увлажнения через пароувлажнительные устройства. В конвейерных печах тупикового и тоннельного типа удельный расход пара колеблется в пределах от 150 до 350 кг на 1 т хлеба. Из этого количества на поверхности хлеба конденсируется от 1 до 5% пара, а остальной пар удаляется из печи по вентиляционным газоходам и выбрасывается в атмосферу. Затрата топлива на получение пара приближается к затрате топлива в печи на выпечку хлеба, а иногда даже больше.

Конденсация пара на поверхности изделий в зоне увлажнения приводит к прогреву изделия за счет теплоты фазового перехода. При температуре°С завершается клейстеризация крахмала ржано-шнеиичного, а при температуре°С - пшеничного теста-хлеба. Тонкая пленка клейстеризованного крахмала заполняет поры и выравнивает шероховатости на поверхности, создавая гладкую, эластичную, глянцевитую поверхность тестовой заготовки.

Увлажнение тестовых заготовок хлеба может быть паровое - насыщенным паром низкого давления 0,1—0,15 МПа, водяное - при помощи распыления воды форсунками и комбинированное.

При выпечке бараночных изделий применяется паровое увлажнение или ошпарка. При ошпарке бараночные заготовки опускают в кипящую воду, где они прогреваются и разбухают. Когда их плотность становится меньше плотности воды, они всплывают на поверхность кипящей воды. Этот момент является конечным для процесса ошпарки. Далее бараночные изделия подсушиваются и поступают на выпечку.

При выпечке подовых сортов хлеба применяется в основном паровое увлажнение с помощью пароувлажнительных устройств различных конструкций.

Конструкции пароувлажнительных устройств

Равномерного распределения параметров среды по высоте камеры пароувлажнения является сложной задачей. В большинстве конструкций камер эта задача решается путем увеличенного расхода пара, подаваемого на увлажнение, особенно в печах с тоннельной пекарной камерой.

Неравномерная влажность среды по высоте обусловлена различной ее плотностью.

Неравномерность температуры среды по высоте вызывается конвективными и вентиляционными потоками.

Основной целью при конструировании пароувлажнительных устройств является создание оптимальных параметров среды у поверхности теста-хлеба, при которых возможно наиболее эффективное осуществление процесса гигротермической обработки изделий. Если в основу положить способы достижения рациональных параметров среды в камере пароувлажнения, то все конструкции можно разбить на следующие основные группы.

К первой группе можно отнести наиболее распространенные в настоящее время пароувлажнительные устройства, применяемые в печах тоннельного типа, например в печах БН, ПХС «Термоэлектро»,«Минел» и др.

Эти устройства состоят из прямоугольной камеры с размещенными в ней перфорированными трубами. Насыщенный пар низкого давления подается через перфорированные трубы в камеру увлажнения. Трубы расположены над подом на высоте мм. Эти устройства отличаются друг от друга количеством труб, способом подачи и регулирования расхода пара, отделения конденсата и пр., но имеют принципиальное сходство — необходимые параметры среды у поверхности изделий достигаются увеличенным расхода пара.

Одно из таких устройств для печей БН показано на рисунке. Устройстве состоит из шести перфорированных труб 4, каждая перфорированная труба имеет регулировочный вентиль для подачи пара и рукоятку для поворота трубы и изменения направления истечения пара из отверстий трубы. Устройство имеет направляющие лопатки для пара 3 и поворотные заслонки 2 и 5 для снижения влияния вентиляционных потоков. Удаление излишка пара происходит через вытяжной зонт 1.

Высокое расположение над изделиями пароувлажнительного устройства и воздействие процесса вентиляции приводит к неравномерной влажности среды по высоте камеры, поэтому эффективное увлажнение достигается повышенным расходом пара.

Ко второй группе можно отнести пароувлажкйтедьные устройства, которые оформлены в виде отдельных конструкций вынесенных за пределы пекарных камер или конструктивно выделенных в них и выполненных в виде парового «колокола». В этом случае конвейер имеет в камере подъем в виде горба. Это сделано для того, чтобы тестовые заготовки приблизить к верхней части камеры, где паровоздушная среда имеет наибольшую влажность. Низкотемпературный режим в таких камерах позволяет перенести окончание расстойки в камеру увлажнения. В шкафах для расстойки, обслуживающих такие печи, процесс расстойки укороченный.

Этот принцип был использован в печах с тупиковой и тоннельной пекарной камерой, например в печах ПХК, ХПП-25, ГГР и реконструированной печи ФТЛ-2.

Камера увлажнения в печи ПХК:

1 - трубы для подачи пара; 2 - колпак;

3 - сетчатый конвейерный под

Выносная камера увлажнения реконструированной печи ФТЛ-2: 1 и 5 - трубы для подачи пара; 2 – верхнее перекрытие камеры; 3 – экран; 4 – конвейер.

Изменение конфигурации конвейера в зоне увлажнения усложняет конструкций печи, особенно в печах тоннельного типа. Для того чтобы уменьшить отрицательное влияние неравномерной влажности среды по высоте камеры и интенсифицировать гигротермическуй обработку тестовых заготовок, были предложены способы приблизить среду с высокой влажностью к поверхности изделий. Эти конструкции можно выделить в третью группу.

Так, эта задача может решатся подачей пара сверху и отбором паровоздушной смеси снизу сетчатого пода. Развитием этого способа является применение рециркуляции паровоздушной среды. Предложено над перфорированными трубами для подачи пара 2 расположить рециркуляционный вентилятор 3. Отбор рециркуляциоиной паровоздушной смеси происходит по краям зоны увлажнения и по газоходам 1 и 4 смесь направляется к вентилятору. При рециркуляция паровоздушной среды происходит подсос сухого воздуха, что приводит к снижению влажности парогазовой смеси.

Пароувлажнительное устройство печи «Маммут»

К четвертой группе отнесены устройства в которых существенно снижается влияние вентиляционных потоков на параметры паровоздушной среды. К этим устройствам можно отнести пароувлажмение печи «Маммут». Паровой колпак 3 приводится в движение механизмом 1. Когда на под 6 посажено несколько рядов тестовых заготовок, колпак с поднятыми дверцами 2 и 5 занимает крайнее левое положение и накрывает заготовки. После этого дверцы закрываются, включается подача пара через патрубок 4 и колпак с непрерывно движущимся конвейером перемещается в пекарную камеру. Затем дверцы поднимаются, подача пара выключается и колпак возвращается в исходное положение.

Такая конструкция обеспечивает высокое качество гигротермической обработки изделий, однако эти устройства требуют равномерной и синхронной нагрузки изделий на под печи и имеют сложную конструкцию приводного механизма парового колпака. Поэтому распространения в хлебопекарной промышленности они не получили.

В пятую группу пароувлажнительных устройств входят конструкции, в которых сделана попытка решения сравнительно простыми средствами задачи обеспечения равномерной и высокой влажности среды и снижения влияния вентиляционных потоков в камере увлажнения. При этом расход пара на увлажнение существенно снижается - по сравнению с другими типами конструкций пароувлажнительного устройства

Расмотрим конструкцию проувлажнительного устройства с передвижным лотком. Основная мысль конструкции заключается в том, что не тестовые заготовки поднимаются вверх, где среда имеет максимальную влажность, а наоборот, верхнее перекрытие, выполненное в виде подвижного лотка, приближается к тестовым заготовкам, образуя, таким образом, среду с высокой влажностью. В пароувлажнительном устройстве трубы 5 для подвода пара установлены за лотком 7. Пар, поступающий для увлажнения по трубам 5, частично направляется в сторону пекарной, камеры благодаря вентиляционному газоходу, а частично в сторону лотка 7. Направленный отбор паровоздушной среды в сторону пекарной камеры. препятствует проникновению вентиляционного потока в камеру увлажнения.

Паровоздушная смесь с высокой. влажностью, проходя под лотком, который опущен при помощи винтового устройства 2 над тестовыми заготовками с небольшим зазором между ними, последовательно омывает ряды этих заготовок движущихся навстречу пару. Пар конденсируется на поверхности заготовок, а неиспользованный выбрасывается через паросборник 8, газоход 6, колено 4, зонт 1 и паровытяжной газоход 3.

Благодаря малому объему камеры рациональнее используется подаваемый для увлажнения, пар, так как большая часть пара соприкасается с поверхностью изделий. Пар препятствует проникновению сухого вентиляционного воздуха в камеру в результате чего создается высокая влажность среды, что позволяет при сравнительно небольшом расходе пара производить эффективную гигротермическую обработку изделий.

ТЕПЛО - И МАССООБМЕН В ЗОНЕ УВЛАЖНЕНИЯ ПЕКАРНОЙ КАМЕРЫ

Исследованиями установлено, что от 80 до 90% теплоты к тестовой заготовке передается за счет теплоты фазового перехода (при относительной влажности среды% и температуре среды °С). При низкой влажности среды %) доля теплоты фазового перехода снижается до%.

Доля теплоты, передаваемой конвекцией, составляет от 3 до 12%, а излучением - от 4 до 16%. К концу процесса увлажнения суммарный тепловой поток уменьшается в результате уменьшения потока массы конденсата и, следовательно, снижения теплоты фазового перехода, и возрастает роль конвекции и излучения. Количество теплоты, воспринимаемой поверхностью теста-хлеба в результате тепло - и массообмена в первом периоде выпечки (суммарная плотность теплового потока), определяется как сумма составляющих теплообмена:

q = qкон + qк + qи

где qкон - плотность теплового потока при фазовом переходе, Вт/м2;

qк – плотность конвективного теплового потока, Вт/м2;

qи – плотность потока излучения, Вт/м2.

При конденсации пара на поверхности теста-хлеба часть конденсата проникает в поверхностный слой и отдает ему теплоту. В связи с этим температура поверхности тестовой заготовки практически равна температуре конденсата.

При расчете процесса тепло - и массообмена в зоне увлажнения определяются: количество пара, сконденсировавшегося на поверхности изделий, продолжительность процесса конденсации пара, суммарная плотность теплового потока на поверхности изделий.

Количество пара, сконденсировавшегося на поверхности изделий, можно определить по уравнёнию

jп = a ( tc – tп ) / [r + cп ( tc – tп )]

где jп - плотность потока конденсирующего пара, кг/(м2.с); a - коэффициент теплоотдачи при конденсации пара, Вт/(м2. К); tc и tп - соответственно температура паровоздушной смеси и поверхности тестовой заготовки, °С; r - удельная теплота фазового перехода, Дж/кг; cп - удельная теплоемкость пара, Дж/(кг. К).

УРАВНЕНИЕ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ПЕЧНОГО АГРЕГАТА

Тепловой баланс является главной энергетической характеристикой любого теплового агрегата и служит основним расчетным уравнением при проектировании новых или реконструкции действующих печных агрегатов.

Уравнение теплового баланса печного агрегата может быть представлено в общем виде:

Qа = Q н. а. + Q пот. а

где Qа – тепловой поток поступающий в печной агрегат, Вт; Q н. а. – мощность полезно использованного теплового потока в печном агрегате, Вт; Q пот. а - потери теплоты печным агрегатом Вт.

В зависимости от способа обогрева пекарной камеры и конструкции печного агрегата уравнение теплового баланса в развернутом виде может быть представлено по разному. Простейший вид уравнения теплового баланса печи с электрообогревом записывается как уравнение теплового баланса пекарной камеры.

Тепловой баланс пекарной камеры целесообразно составлять на 1 кг продукции в горячем состоянии, т. е. в момент выхода ее из пекарной камеры. Объясняется это тем, что при остывании хлеба в зависимости от формы и массы изделия, времени и условия хранения потеря в массе колеблется в широком диапазоне (2 – 4 % и более).

Уравнение теплового баланса пекарной камеры имеет следующий вид;

q п. к. = q1 + q2 + q3 + q4 + q5 + q6 + q7 + q8

где q п. к. – количество теплоты, передаваемое в пекарную камеру на 1 кг горячей продукции, кДж/кг;

q1 – теоретический расход теплоты на выпечку 1 кг продукции, кДж/кг;

q2 – потеря теплоты на испарение воды и перегрев пара, поступающих в пекарную камеры на увлажнение тестовых заготовок и среды пекарной камеры, кДж/кг;

q3 – потеря теплоты на нагрев вентиляционного воздуха, поступающего в пекарную камеру, кДж/кг;

q4 - потеря теплоты на нагрев транспортных приспособлений: конвейерных цепей, люлек, конвейерных лент, форм, трафаретов, листов и п. р., кДж/кг;

q5 - потеря теплоты наружными поверхностями стенок пекарной камеры, кДж/кг;

q6 - потеря теплоты через фундамент пекарной камеры, кДж/кг; (Печные агрегаты и их пекарные камеры устанавливают на собственных фундаментах, конструкция и глубина которых зависят от свойств грунта и других требований. Теплофизическая характеристика грунта зависит от его состава, влажности и других факторов. Поэтому для одного и того же типа печей потеря теплоты через фундамент различна. В районах вечной мерзлоты применяются фундаменты специальной конструкции. Отвод теплоты через фундамент является сложным процессом, и единственный метод для точного определения потерь – экспериментальный. По данным теплотехнических испытаний, эти потери составляют 20 – 40 кДж/кг.)

q7 - потеря теплоты излучением через посадочные и разгрузочные окна пекарной камеры, кДж/кг; (Эта потеря для современных печных аппаратов составляет небольшую величину 8 – 12 кДж/кг. Однако при ручной посадке и разгрузке рабочий находится под воздействием этого лучистого потока.)

q8 - расход теплоты на аккумуляцию стенками пекарной камеры, поверхностями теплообмена и п. р., кДж/кг. (При круглосуточной работе печной агрегат практически находится в установившемся тепловом состоянии, расход теплоты на подогрев отсутствует, и поэтому потеря теплоты на аккумуляцию в этом случае равна нулю. При односменной или двухсменной работе расход теплоты на аккумуляцию довольно значителен. Величина этого расхода зависит от конструкции печного агрегата в целом и пекарной камеры. До сих пор в эксплуатации еще находятс печи с массивными кирпичными стенками, с каналами из огнеупорного кирпича, масса которых довольно велика. Поэтому разогрев такой конструкции происходит продолжительное время - в течение суток и более - — с затратой большого количества теплоты, а следовательно, и топлива.

Конструкции современных печных агрегатов не имеют этих недостатков. Стенки пекарных камер, как правило, каркасного типа с заполнением легкими надежными изоляционными материалами типа минеральной ваты.

Стенки в каркасном исполнении, тонкостенные металлические поверхности нагрева, имеющие относительно малую массу, обладают малой тепловой инерцией. Это позволяет в течение небольшого промежутка времени разогреть печь до рабочего состояния. Например, на разогрев печного агрегата РЗ-ХПА требуется 1 - 1,5 ч, что позволило оборудовать этот агрегат современными средствами автоматического регулирования теплового режима, а также без потери времени осуществлять при выпечке переход с одного сорта изделий на другой.)

Лекция № 4.

Конструкции канальных печей. Классификация каналов (с малым, большим и разным термическим сопротивлением)

В печах с канальным обогревом теплоносителем являются продукты сгорания, проходящие по системе газоходов, через стенки которых теплота передается в камеру.

Газоход в котором происходит передача теплоты от теплоносителя через стенку к другой среде (в данном случае в пекарную камеру), принято называть каналом, а такой способ обогрева пекарной камеры канальным. Печи с канальным обогревом можно разделить на два типа, к первому из которых относятся канальные печи без рециркуляции продуктов сгорания, ко второму - канальные печи с рециркуляцией продуктов сгорания.

Достоинства канальных печей: возможность сжигания разнообразного топлива, относительная простота конструкции, надежность в эксплуатации, большой диапазон производительности при разнообразном ассортименте, высокая степень механизации.

Однако канальные печи с мощной кирпичной обмуровкой обладают большой тепловой инерцией, что является существенным недостатком, вызывающим трудности при переходе предприятия на двухсменную работу. Кроме того, при последовательном соединение каналов не позволяет производить настройку теплового режима по зонам.

КЛАССИФИКАЦИЯ КАНАЛОВ

В зависимости от диапазона температуры продуктов сгорания и интенсивности теплообмена рабочая стенка канала (поверхность теплообмена), через которую происходит передача тепла от теплоносителя в пекарную камеру, выполняется из разных материалов.

Основным признаком классификации каналов принято термическое сопротивление рабочей стенки канала. По этому признаку все каналы можно разделить на три основные группы.

К первой группе относятся каналы с малым термическим сопротивлением, у которых одна или две плоские рабочие стенки выполнены из стальных листов, из стальных или чугунных труб. Если температура рабочей стенки канала достигает 450-500° С, применяются чугунные трубы или листы из жаростойкой стали соответствующей марки. По конструктивным соображениям в ряде случаев такие каналы разбивают на два и более газоходов с последовательными или параллельными потоками продуктов сгорания. Каналы из тонкостенных стальных труб выполняются в виде однорядного или двухрядного пучка труб.

Иногда применяются каналы комбинированной формы, например состоящего из двух коробов, соединенных однорядным пучком труб. Такой канал целесообразно располагать между двумя ветвями конвейера

Каналы комбинированной формы применяются при реконструкции печей в случае перевода их с твердого топлива на газообразное или жидкое.

К этой группе относятся каналы следующих разновидностей:

1) каналы из стальных труб;

2) широкие каналы в виде короба с двумя плоскими поверхностями теплообмена;

3) широкие каналы с одной плоской поверхностью теплообмена и отражающей нетеплопроводной стенкой;

4) каналы, имеющие плоские поверхности теплообмена с несколькими параллельными или последовательными газоходами и отражающими нетеплопроводными стенками;

5) каналы с комбинированной формой поверхности теплообмена.

Ко второй группе можно отнести каналы с большим термическим сопротивлением, применяемые в области высоких температур (1°С), с рабочей стенкой значительной толщины, выполненной в виде свода (реже плоской стенки) из шамотного кирпича класса А или Б, с малым коэффициентом теплопроводности. В некоторых случаях при той же температуре продуктов сгорания применяется огнеупорный бетон. При большой ширине канала изредка применяются подвесные плоские перекрытия из фасонного огнеупорного кирпича.

В группе две разновидности:

- первая из которых — это топка-канал.

В канал встроено топочное устройство для сжигания твердого, жидкого или газообразного топлива. Топка-канал одновременно выполняет роль не только топки, но и теплообменника. Поверхностью теплообмена служит плоская или в виде свода стенка, обращенная в пекарную камеру.

Активным объемом топки является весь объем канала, в котором происходит процесс горения.

Процесс теплообмена в топке-канале имеет сложный, мало изученный характер, поэтому при расчетах пользуются приближенным методом.

- второй разновидностью являются каналы, которые выполняют роль теплообменников, имеющих поверхности теплообмена с постоянным и переменным термическим сопротивлением.

При конструктивном расчете канала определению подлежат площадь поверхности теплообмена, толщина и термическое сопротивление стенки. Ввиду сложности теплообмена тепловой расчет делается применительно к каждой группе каналов и к их конструктивной разновидности.

К третьей группе каналов относятся каналы с разными термическими сопротивлениями плоских поверхностей теплообмена, они бывают двух видов. К первым относятся каналы в виде коробов из стальных листов, располагаемые между двумя ветвями конвейера. Для уменьшения теплового потока через нижнюю поверхность теплообмена с газовой стороны ее покрывают изоляционным слоем такой толщины, чтобы удовлетворить требования кинетики теплообмена в пекарной камере. Такие каналы применяются довольно часто, например средний канал в печи ФТЛ-2. Ко второй разновидности относятся каналы с одной плоской поверхностью теплообмена и с разной толщиной огнеупорного изоляционного слоя, выложенного по стальному листу с газовой стороны. Канал по длине разбивается на участки, на каждом из которых определяется толщина изоляционного слоя в соответствии с величиной теплового потока на участке канала.

Не исключено, что на последнем участке канала изоляционного слоя из огнеупора может не быть. Кроме описанных разновидностей возможны и другие.

КАНАЛЫ ПАРОГЕНЕРАТОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

В печные агрегаты малой и средней мощности во многих случаях пар поступает из парогенератора небольшой мощности, встроенного в обмуровку печного агрегата. В этих случаях парогенератор низкого давления является элементом печного агрегата и его размещение в газовом тракте связано с распределением потоков продуктов сгорания во всех последующих каналах, расположенных за парогенератором. Трубчатые парогенераторы размещаются в специально предназначенных для этой цели каналах, обычно после нижнего канала. Из него часть потока продуктов сгорания отбирается на обогрев парогенератора.

Схема газоходов трубчатого парогенератора

Схема обогрева труб парогенератора: а — в два хода; б—в один ход

На схеме движения газов показано, что парогенератор состоит из двух горизонтальных труб (диаметр 200мм), расположенных по бокам нижнего канала. После обогрева нижнего канала часть продуктов сгорания направляется двумя параллельными потоками по 0,5 а каждый в каналы парогенератора, другая часть - в перепускные вертикальные газоходы [по 0,5 (1 - а) в каждый]. Объем продуктов сгорания, направляемый в каналы парогенератора, регулируется шиберами Ш.

На схеме а приведена схема обогрева каждой трубы парогенератора в два хода. Это обеспечивается направляющими ребрами, приваренными к трубам.

В схеме б, трубы без ребер обогреваются потоком продуктов сгорания в один ход.

Следует отметить, что в обмуровку печи встраивают утилизатор (водяного экономайзера), в котором за счет теплоты отходящих газов можно получить не только горячую воду, но и пар низкого давления.

Конвейерная печь ХПП-25 «Подмосковная»

Печной конвейер имеет приводной 3 и натяжной 11 валы и четыре промежуточных 8, на каждом из которых закреплены по две звездочки 5. На горизонтальных участках конвейера установлены направляющие из уголковой стали, по которым катятся ходовые ролики цепи.

Подшипники валов размещены в наружных нишах стен обмуровки, что создает надежные условия эксплуатации конвейера.

Зона увлажнения 6 тестовых заготовок осуществлена в виде необогреваемой предкамеры, вынесенной за пределы основной пекарной камеры.

Для увлажнения тестовых заготовок в передней части предкамеры установлено увлажнительное устройство 7, состоящее из двух поперечно расположенных перфорированных труб и дополнительно установленных к ним по бокам предкамеры двух водяных форсунок.

Такая предкамера способствует получению малоподвижного газового пространства с высокой относительной влажностью среды при низкой ее температуре.

В пекарной камере расположены три канала: нижний 1, средний 12 и верхний 9. Продукты сгорания после обогрева верхнего канала поступают в каналы теплоутилизатора 10.

На рисунке приведена схема движения продуктов сгорания по системе каналов и газоходов. Из топки 1 продукты сгорания поднимаются вверх и двумя параллельными потоками поступают в средние газоходы 2, затем они последовательно проходят по боковым газоходам 3 среднего канала в сторону топочного фронта и опускаются вниз по перепускным вертикальным газоходам 9. В задней топочной стенке имеются газовые окна, через которые продукты сгорания направляются в два параллельных газохода нижнего канала 4, откуда поступают в короткие перепускные вертикальные газоходы 5. Затем продукты сгорания поступают сначала в вертикальный 6, затем горизонтальный 7 участки верхнего канала.

После обогрева пекарной камеры продукты сгорания направляются в каналы теплоутилизатора 8, состоящего из двух типовых водогрейных котелков.

Таким образом, каждая ветвь конвейера обогревается только с одной стороны: верхняя ветвь конвейера - верхним каналом с малым термическим сопротивлением; вторая и третья ветви конвейера - подвесным средним каналом с большим термическим сопротивлением и разной толщиной стенок; четвертая ветвь конвейера обогревается снизу нижним каналом с большим термическим сопротивлением.

Лекция № 5

КАНАЛЬНЫЕ ПЕЧИ С РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ

Применение рециркуляции продуктов сгорания в канальных системах обогрева хлебопекарных печей впервые было осуществлено в Германии и США в начале 30-х годов. Эти печи имели каркасные ограждения, легкую и эффективную изоляцию из минеральной ваты, для их обогрева использовалось газообразное и жидкое топливо, которое не давало отложений золы на стенках обогревательных каналов. Продолжительность разогрева таких печей была в несколько раз меньше, чем печей с кирпичной обмуровкой. Печи обладали малой тепловой инерцией, что позволило применить сравнительно простую автоматическую систему регулирования температурного режима печи. Благодаря этим преимуществам в настоящее время основным видом печей в хлебопекарной промышленности стали печи с канальным обогревом и рециркуляцией продуктов сгорания.

Одним из важных преимуществ таких печей является параллельное распределение продуктов сгорания по обогревательным каналам, что позволяет осуществлять создание оптимального теплового режима в любой зоне пекарной камеры и обеспечения качественной выпечки.

СХЕМА КОНТУРА ОБОГРЕВА ПЕЧНОГО АГРЕГАТА - С РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ

При помощи газогорелочного устройства 1 подготовленная горючая смесь подается в камеру сгорания 8. Образовавшиеся продукты сгорания с высокой температурой tТ направляются в камеру смешения 7, куда поступают также рециркуляционные продукты сгорания с температурой tРЦ = tУХ . Таким образом, в камеру смешения одновременно поступают два потока. В результате смешения образуется единый поток продуктов сгорания с температурой tСМ. Из камеры смешения 7 продукты сгорания с параметрами смеси направляются в систему обогрева. Схема контура обогрева печного агрегата с применением рециркуляции продуктов сгорания

Поток распределяется по каналам 5 и 6. В нижний канал 6 направляется часть потока а, в верхний канал 5 - оставшаяся доля потока 1-а.

Величина каждой доли потока регулируется шиберами 3 и 4 в зависимости от величины теплового потока на каждый из каналов. Продукты сгорания поступают в систему обогрева с параметрами tСМ’. После охлаждения в системе обогрева в конце каналов 5 и 6 параметры частей потока различны.

Охлажденные обе части потока сливаются и с новыми параметрами про газоходу направляются к вентилятору - дымососу 2. После дымососа часть продуктов сгорания выбрасывается в трубу, а большая часть направляется на рециркуляцию и поступает в камеру смешения 7. Регулировка производится шибером.

Объем продуктов сгорания, направляемый в трубу, равен объему продуктов сгорания, образовавшихся от сгорания топлива с учетом присоса в газоходы наружного воздуха.

Рециркуляционный газоход после дымососа находится под давлением, что исключает присос наружного воздуха.

Особенности конструкции топочных устройств с рециркуляцией продуктов сгорания.

Топочные устройства печных агрегатов с рециркуляцией продуктов сгорания состоят из двух элементов: камеры сгорания и камеры смешения. Этим они отличаются от топок печей. Эти топочные устройства значительно компактнее обычных топок. Объем их камеры сгорания, при одинаковом расходе топлива, в несколько раз меньше топочного объема топок канальных печей; в камере сгорания возможна повышенная плотность тепловых потоков.

Для снижения температуры стенок камеры сгорания и камеры смешения применяется наружное охлаждение их рециркуляционными газами. Стенки камер выполняются из листовой легированной жаростойкой стали. В некоторых конструкциях внутренняя часть камер футеруется огнеупорными керамическими материалами. Все топочные устройства имеют цилиндрическую форму, камеры сгорания в них размещены внутри обечаек камер смешения.

Существующие топочные устройства делятся на два типа.

Первый тип. В таких топочных устройствах потоком рециркуляционных продуктов сгорания охлаждается только наружная поверхность камеры сгорания, после чего поток газов поступает в камеру смешения.

Второй тип топочного устройства, в нем рециркуляционный поток продуктов сгорания охлаждает вначале поверхность стен камеры смешения, затем наружную поверхность стенок камеры сгорания.

В свою очередь камеры сгорания по конструктивному решению можно разделить на три вида.

- К первому виду (рис. а) относятся камеры с нефутерованными стенками стального цилиндра камеры сгорания. Стальной цилиндр камеры сгорания выполняется из жаропрочной стали. В некоторых конструкциях камер ограничиваются футеровкой только горловины камеры сгорания.

- Ко второму виду относятся частично футерованные камеры сгорания (рис. б). Часть стенок цилиндра камеры сгорания футерована огнеупорным материалом.

-

К третьему виду относятся камеры сгорания с полностью футерованными стальными стенками цилиндра (рис. в). Футеровка стенок цилиндра с огневой стороны выполняется по-разному: применяют футеровку в виде шамотных колец класса А или набивку из огнеупорной массы, а также кладку из фасонного огнеупорного кирпича.

Основные схемы камер сгорания

АЭРОДИНАМИКА В СИСТЕМАХ ОБОГРЕВА ПЕЧНЫХ АГРЕГАТОВ С РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ

В системах обогрева печных агрегатов с рециркуляцией продуктов сгорания создаются повышенные скорости движения продуктов сгорания в каналах, что вызывает значительное сопротивление в системе обогрева. Для создания повышенной скорости движения продуктов сгорания применяется вентилятор-дымосос.

В процессе разогрева, наладки режимов и эксплуатации возникают изменения сопротивлений на разных участках системы обогрева. Наиболее ответственным участком системы является топочное устройство, так как в камере сгорания должно быть определенное разрежение, обеспечивающее надежность процесса горения. При повышенном разрежении в камере сгорания возникает опасность отрыва факела от горелки и взрыва газа.

Разрежение в камере сгорания связано с сопротивлением всей системы. Рециркуляция продуктов сгорания в значительной степени влияет на общее сопротивление системы. С увеличением коэффициента рециркуляции при прочих равных условиях возрастают объем продуктов сгорания и скорость их движения, а сопротивление в системе увеличивается пропорционально квадрату скорости. В случае изменения расхода топлива возникает необходимость в пересмотре коэффициента рециркуляции для обеспечения устойчивости горения при постоянстве разрежения в камере сгорания.

От аэродинамики системы обогрева зависит устойчивость процесса горения.

При проектировании системы обогрева всегда возникает необходимость выбора наиболее оптимальной схемы обогрева и движения продуктов сгорания в каналах и газоходах печного агрегата. При последовательном движении продуктов сгорания сопротивление в системе значительно больше, чем при параллельном движении. При параллельном движении снижается скорость движения газов и коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к внутренним поверхностям каналов.

Характеристика сети системы обогрева и вентилятора-дымососа в процессе разогрева, наладки и эксплуатации меняется и зависит от многих факторов: рециркуляции продуктов сгорания и их температуры, сопротивления системы обогрева, присоса дополнительного наружного воздуха, изменения расхода топлива и т. п.

Конвейерная печь с сетчатым подом ПХС-25М. Печь предназначена для выпечки широкого ассортимента хлеба и хлебобулочных изделий.

Печной конвейер 2 состоит из стальной спирально-стержневой сетки шириной 2100 мм, в пределах пекарной камеры имеет длину 12000 мм. Площадь сетчатого пода 25 м2.

Рисунок - Печь ПХС-25М

Ведущий барабан 1 конвейера установлен со стороны выгрузки. Натяжной механизм конвейера - грузового типа. Ведомый барабан 9 (он же натяжной) соединен с корректирующим устройством, позволяющим изменять степень натяжения правой и левой стороны сетчатого конвейера. Холостая ветвь 10 сетчатого конвейера поддерживается опорными роликами. Для ограничения боковых смещений сетки установлены вертикальные ролики. Привод конвейера состоит из электродвигателя, двух ременных передач, вариатора и редуктора (i=1:1492). Выходной вал редуктора соединен с валом приводного барабана парой зубчатых колес.

Для очистки сетки от загрязнения (крошки, нагара) под нижней ветвью сетки со стороны выгрузки расположен щеточный механизм 12.

Ограждения печи - блочно-каркасного типа с изоляцией из минеральной (шлаковой) ваты. Наружная обшивка печи представляет собой съемные панели, соединенные с внешним каркасом прижимными планками, закрепленными винтами.

Пекарная камера печи 11 представляет собой тоннель шириной 2420 мм, высотой 220 мм и длиной 12000 мм со стенками из листовой стали. В ней расположено увлажнительное устройство из перфорированных труб. Над конвейером у посадки и выгрузки установлены вытяжные зонты 3 и 8.

В пекарной камере расположены два отдельных контура обогрева, один из которых обслуживает зону посадочной части, а другой контур (больший по размеру) обслуживает зону выгрузочной части печи. Каждый контур имеет топочное устройство 7 и связанную с ним систему каналов 5 и перепускных газоходов 4. Оба топочных устройства соединены с дымососами 6, расположенными над первой половиной печи.

Рисунок - Схема движения продуктов сгорания в печи ПХС-25М

Топочное устройство относится к второму типу (рассмотренному выше), а камера сгорания к третьему типу.

На рис. приведена схема движения газов в каналах и газоходах печи ПХС-25М, на которой показаны газогорелочные устройства 1 и 11. Из камеры сгорания 2 и 9 газ поступает в камеры смешения 3 и 8 топочного устройства. По перепускным газоходам 7 и 21 каждого контура обогрева печи продукты сгорания поступают в каналы 14, 16, 19. Количество продуктов сгорания, поступающих в систему верхних и нижних каналов каждого контура, регулируется шиберами 15. 17, 18, 20.

По перепускным газоходам 6 и 13 поток охлажденных продуктов сгорания поступает к всасывающему патрубку дымососов 5 и 12. Поток газов по газоходам 4 и 10 направляется к дымовой трубе; остальная часть газов идет на рециркуляцию.

Лекция № 6.

Печи с пароводяным, паровым и комбинированным обогревом

В печах хлебопекарной промышленности в качестве теплообменного элемента получили широкое применение нагревательные (тепловые) трубки, в которых теплоносителем является пароводяная смесь. Эти трубки носят название трубок Перкинса по фамилии английского изобретателя. Способ обогрева печей с помощью таких трубок называется пароводяным.

Нагревательная трубка представляет собой толстостенную цельнотянутую стальную трубку, заполненную на 1/3 своего внутреннего объема дистиллированной водой и тщательно заваренную с обоих концов. Применяются трубки с наружным диаметром 35 мм и толщиной стенки 5,5 мм, а также с наружным диаметром 32 мм и толщиной стенки 4 мм, рассчитанные на давление 10— 13 МПа и выше.

Трубки изготавливаются разной длины (6 м и более) и формы. Наряду с прямыми трубками применяют Г-образные и V-образные, изогнутые в одной плоскости, а также фигурные трубки, изогнутые в разных плоскостях.

Пароводяные трубки укладываются с уклоном не менее 12 мм на один метр в сторону топки. Короткие концы их выходят в топку и называются топочными концами трубок). Длинные концы трубок размещаются в пекарной камере. Трубки проходят через отверстия в задней стенке топки, которая является также стенкой пекарной камеры.

Поверхность коротких топочных концов трубок является тепловоспринимающей поверхностью, а поверхность теплообмена длинных концов трубок, находящихся в пекарной камере, является теплоотдающей поверхностью.

Топочные концы трубок подвергаются воздействию продуктов сгорания, нагреваются. Вода в трубке закипает, и образующийся насыщенный пар перемещается вдоль трубки в сторону пекарной камеры. В пекарной камере происходит теплоотдача от трубок к тесту-хлебу и к среде пекарной камеры, при этом пар в трубках конденсируется. Конденсат благодаря уклону стекает к топочному концу, двигаясь навстречу пару.

Процесс парообразования в тепловой трубке происходит интенсивно, поэтому вместе с паром, движущимся в сторону пекарной камеры, увлекается кипящая вода.

Кипение при низком давлении (0,2 - 0,3 МПа) характеризуется образованием крупных пузырей, движущихся навстречу жидкости, и «пробковой» пульсацией, когда жидкость в некоторых местах трубки занимает все сечение и образует пробку.

Кипение при высоком давлении отличается от кипения при низком давлении меньшим объемом пузырей (пузыри мельче), большей скоростью их образования и очень интенсивной пульсацией.

Непременным условием для нормальной работы трубок является тепловое равновесие, при котором количество теплоты, воспринимаемое топочными концами, должно быть равно количеству теплоты, отдаваемому длинными концами трубок, находящимися в пекарной камере.

Это первое условие надежности трубок. При нарушении этого условия, может произойти недопустимый перегрев топочных концов трубок, неизбежный взрыв и разрушение трубок.

Давление в трубках в условиях эксплуатации печей зависит от расхода тепла в пекарной камере, а следовательно, и теплового потока от трубок, температуры среды пекарной камеры, которая в зависимости от выпекаемого ассортимента поддерживается на уровне °С, а температура наружной поверхности трубок на°С выше температуры среды пекарной камеры.

Опыт эксплуатации показывает, что давление в трубках не следует поддерживать болееМПа.

Надежная циркуляция (пульсация) конденсата в трубке обеспечивается таким уклоном трубок в сторону топки, при котором напор должен быть больше гидравлического сопротивления, возникающего в трубке при встречных пульсирующих потоках пара и конденсата. Это второе условие надежности трубок

КОНСТРУКЦИИ ПЕЧЕЙ С ПАРОВОДЯНЫМ ОБОГРЕВОМ

Печи с пароводяным обогревом в свое время получили большое распространение в промышленности, однако настоящее время такие печи не строят, но улучшают находящиеся в эксплуатации путем их реконструкции.

Реконструкция печей происходит (например АЦХ) путем увеличения числа нитей печного конвейера с трех до пяти или семи и применением комбинированного обогрева - использования наряду с пароводяными трубками каналов из толстостенных металлических труб.

Применение комбинированного обогрева повысило надежность печи и снизило удельный расход топлива благодаря значительному снижению температуры уходящих. газов.

КОНСТРУКЦИИ ПЕЧЕЙ С ПАРОВЫМ ОБОГРЕВОМ

При паровом обогреве теплоносителем является насыщенный пар высокого давления (10—12 МПа), который получается в специализированном парогенераторе. Насыщенный пар по паропроводу поступает в обогревательные секции, размещенные в пекарной камере. В результате теплообмена в пекарной камере пар в нагревательных секциях конденсируется. Конденсат стекает обратно в парогенератор.

КОНСТРУКЦИИ ПЕЧЕЙ И РАССТОИНО-ПЕЧНЫХ АГРЕГАТОВ С КОМБИНИРОВАННЫМ ОБОГРЕВОМ

Хлебопекарные печи с комбинированным обогревом получили значительное распространение в промышленности.

Система обогрева из пароводяных трубок и каналов из стальных труб обладает относительно небольшой тепловой инерцией. Кроме того, комбинация пароводяных трубок и каналов позволяет конструктивно удобно располагать поверхность теплообмена относительно печного конвейера в соответствии с требованиями кинетики теплообмена в пекарной камере.

Печь ФТЛ-4. Эта печь имеет пятиниточный люлечный конвейер 4, смешанный обогрев пекарной камеры, прямые пароводяные трубки и чугунные дымогарные трубы. Схема движения такого конвейера предусматривает расположение входного отверстия 8 в нижней части пекарной камеры; выходное отверстие 1 расположено тоже в нижней части, но с другой стороны.

Для уменьшения интенсивности вентиляции пекарной камеры со стороны входного отверстия устанавливается поперечная стенка 7 высотой около 1500 мм. В данной конструкции предусмотрено расположение первой нити конвейера в самой верхней зоне пекарной камеры. Каждая ветвь конвейера обогревается с обеих сторон.

Над первой ветвью конвейера расположен один ряд чугунных дымогарных труб 5 (12 труб). Между первой и второй ветвями расположен еще один ряд таких труб 6 (12 труб), обогреваемых продуктами сгорания, поступающими из топки с температурой °С. Между второй и третьей, а также между третьей и четвертой ветвями конвейера имеется по три ряда прямых пароводяных трубок 3. Между четвертой и пятой ветвями и снизу пятой ветви печного конвейера расположено по два ряда прямых пароводяных трубок 2.

Лекция №7.

ПЕЧИ СО СЖИГАНИЕМ ГАЗА В ПЕКАРНОЙ КАМЕРЕ

Печи, в пекарных камерах которых непосредственно сжигается газ, принято называть печами с газовым обогревом.

Газовый обогрев имеет ряд преимуществ перед другими способами. Печи с газовым обогревом имеют легкое каркасное ограждение с изоляцией из минеральной ваты, что позволяет устанавливать их на любом этаже, малую тепловую инерцию. Применение большого количества горелок, размещенных в пекарной камере, позволяет осуществлять настройку оптимального режима выпечки путем изменения числа включенных горелок или регулированием производительности каждой из них.

В печах с газовым обогревом выпекают печенье, пряники и другие мучные кондитерские изделия, а также возможна выпечка баранок, сушек и других подобных изделий, эти печи являются основным типом печей применяемых в кондитерской промышленности. Выпечка хлеба в печах с газовым обогревом, т. е. со сжиганием газа в пекарной камере, не разрешается.

Тепловой баланс (в Вт) печи с газовым обогревом имеет следующий вид:

ВQнс / 3,6 = Qп. к. + Qхим + Qух

где В - расход газа, м3/ч; Qнс - низшая теплота сгорания по сухому газу, кДж/м3; Qп. к. - расход теплоты в пекарной камере, Вт; Qхим - потеря теплоты от химической неполноты сгорания, Вт, Qух - потеря теплоты с уходящими газами, Вт.

Qхим = ВQнс qхим / (,6),

где qхим - потеря теплоты от химической неполноты сгорания, %.

Qух = В(Iух – Iв)/3,6

где Iух - энтальпия продуктов сгорания, уходящих из пекарной камеры, кДж/м3, значение Iух принимается при средней температуре среды пекарной камеры и среднем коэффициенте избытка воздуха, который на выходе из пекарной камеры по данным технологических испытаний составляет 3 - 4 и более, такое большое значение коэффициента избытка воздуха объясняется тем, что через пекарную камеру проходит значительное количество вентиляционного воздуха из-за разрежения в пекарной камере около 10 Па; Iв - энтальпия воздуха, поступающего в горелку, кДж/м3.

Так как через пекарную камеру проходит большое количество наружного воздуха, то потери тепла на нагрев вентиляционного воздуха учитывать не следует, чтобы не считать одну и ту же потерю 2 раза. Поэтому в уравнении теплового баланса пекарной камеры (в Вт) отсутствует q3п. к. :

Qп. к = (1/3,6)(q1п. к.+ q2п. к.+ q4п. к.+ q5п. к.+ q6п. к.+ q7п. к.+ q8п. к.).Gx

где Gx - производительность печи, кг/ч.

Из уравнения теплового баланса печи можно определить расход газа:

B = 3,6Qп.к /[Qнс (1- qхим /100) – ( Iух – Iв )]

На кондитерских фабриках установлено большое количество печей с газовым обогревом, в которых выпекаются изделия разнообразного ассортимента. Принципиальное отличие кондитерских конвейерных печей от хлебопекарных заключается в том, что эти печи имеют (за редким исключением) тоннельную пекарную камеру. Для печного конвейера в настоящее время применяется стальная сетка или перфорированная стальная лента. В пекарной камере могут быть параллельно расположены одна, две или три ленты (ручьи), приводящиеся в движение через привод от одного электродвигателя.

Отштампованное тесто при помощи саморасклада укладывается на ленту (сетку) и поступает в пекарную камеру.

Трехленточные кондитерские печи. Типовой конструкцией конвейерной кондитерской печи с газовым обогревом является трёхленточная (трехручьевая) печь. Эта печь предназначена для выпечки печенья и является основным агрегатом поточной линии.

Пекарная камера 1 представляет собой тоннель длиной 18,3 м с ограждениями каркасного типа. Ширина пекарной камеры 2450 мм; здесь параллельно расположены три конвейерные стальные сетчатые ленты 2 шириной по 660 мм каждая.

Рабочая ветвь каждой ленты поддерживается чугунными колодками 3. Холостые ветви 4 конвейерных лент расположены под нижним перекрытием 5 пекарной камеры и поддерживаются роликами 6.

Привод печного конвейера расположен в конце печи. От электродвигателя движение приводному валу передается через редуктор и вариатор скорости. Для каждой ленты печного конвейера имеется свой приводной барабан, который приводится в движение от общего приводного вала при помощи цепной передачи.

Для аварийной ситуации предусмотрен ручной привод. Для очистки поверхности конвейерных лент на их холостых ветвях установлены щеточные механизмы с индивидуальным приводом.

Корпус печи состоит из внутреннего и наружного каркасов с обшивкой из листовой стали. Внутренняя обшивка (со стороны пекарной камеры) производится листовой сталью толщиной 3 мм» наружная обшивка — толщиной 2 мм. Пространство между внутренней и внешней обшивкой заполняется шлаковой ватой. Весь корпус печи состоит из десяти секций. В верхних и нижних стенках некоторых секций имеются предохранительные люки на случай взрыва газа в пекарной камере.

Для обогрева рабочей ветви конвейера сверху установлены 37 и снизу 43 инжекционные горелки 7 производительностью около 1 мз/ч. Между нижним рядом горелок и рабочей ветвью конвейерной ленты по всей пекарной камере уложен стальной лист, выполняющий роль экрана, через который происходит передача тепла от продуктов сгорания газа к нижней поверхности ленты.

Продукты сгорания из пекарной камеры удаляются при помощи вытяжного вентилятора.

ГАЗОВЫЕ ГОРЕЛКИ ДЛЯ СЖИГАНИЯ ГАЗА В ПЕКАРНОЙ КАМЕРЕ

Существует много разновидностей инжекционных горелок, различающихся между собой конструктивным выполнением некоторых узлов, но принцип работы их одинаков и заключается в том, что подсос воздуха (инжекция) осуществляется за счет энергии струи газа, выходящей из ее сопла с большой скоростью.

Для сжигания газа в пекарной камере применяются инжекционные горелки малой мощностим3/ч).

Рассмотрим одну из горелок, применяющихся в бисквитных печах.

Через сопло подается газ с давлениемкПа. Воздух, необходимый для горения, инжектируется газом, и в смесителе получается газовоздушная смесь, поступающая затем в насадку, состоящую из двух труб (труба в трубе); в каждой трубе имеются отверстия для выхода газовоздушной смеси. На выходе смеси из отверстий на внутренней трубе газ хорошо перемешивается с воздухом и затем смесь выходит из отверстий наружной трубы насадки. Газ горит в виде отдельных небольших факелов вдоль насадки горелки. Такая горелка является многофакельной инжекционной.

Рассмотрим конструкцию горелки с керамической насадкой.

Инжекционная горелка низкого давления имеет керамическую насадку, состоящую из 14 перфорированных огнеупорных плиток длиной 65 мм; в каждой плитке имеется более 500 мелких отверстий диаметром около 1 мм. Газовоздушная смесь выходит через эти отверстия мельчайшими струйками, и благодаря этому происходит беспламенное микрофакельное горение на керамической поверхности, разогревающейся до 800°С и выше. Горение получается устойчивое, с небольшим коэффициентом избытка воздуха и практически нулевым химическим недожогом. Последнее особенно важно при сжигании газа непосредственно в пекарной камере.

Лекция № 8

ПЕЧИ С ЭЛЕКТРООБОГРЕВОМ

Первые патенты на промышленные электрические печи принадлежат выдающемуся русскому инженеру (1847—1923 гг.). Это были печи сопротивления. Применение электроэнергии в этих печах основано на законе Джоуля - Ленца:

Q = I2 Rt

где Q - количество теплоты, Вт; I - сила тока, А; R - сопротивление проводника, Ом; t - продолжительность включения, с.

Печи с электрообогревом являются перспективными и получили значительное распространение в хлебопекарном и кондитерском производстве.

В настоящее время электрообогрев осуществляется путем применения следующих элементов и принципов обогрева:

а) трубчатых электронагревателей (ТЭН) в печах сопротивления;

б) светлых излучателей - кварцевых ламп;

в) токов высокой частоты (этот способ прогрева применительно к выпечке хлеба находится в стадии изучения);

г) контактного способа прогрева, при котором тестовая заготовка является электросопротивлением - этот способ применим для выпечки бескоркового хлеба;

д) комбинаций указанных способов.

Наибольшее распространение у нас и за рубежом получили печи сопротивления с темными излучателями.

Расход электроэнергии на выпечку 1 кг хлеба в современных электрических печах сопротивления составляет 0,2 - 0,4 кВт. ч/кг в зависимости от совершенства конструкции и выпекаемого ассортимента.

Электрические печи сопротивления имеют ряд преимуществ по сравнению с другими способами электрообогрева и печами других конструкций: небольшая тепловая инерция конструкции, гибкость в отношении температурного режима и автоматическое регулирование позволяют устанавливать режим в пекарной камере по заданному графику.

Размеры печи и конфигурация пекарной камеры могут быть любыми в зависимости от производительности, выпекаемого ассортимента и организации технологического потока. Отсутствие топочных устройств и легкость конструкции (небольшая удельная нагрузка на фундамент) позволяют устанавливать печь на любом этаже здания. Автоматическое регулирование расхода энергии по зонам пекарной камеры обеспечивает оптимальный режим выпечки, нормальные гигиенические условия в печном цехе, высокий КПД пекарной камеры, которая и является собственно печью.

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ПЕЧЕЙ С ЭЛЕКТРООБОГРЕВОМ

Тепловой расчет электрической печи сопротивления отличается от расчета печей с другими способами обогрева, так как пекарная камера электрической печи является собственно печью и уравнение теплового баланса пекарной камеры совпадает с уравнением теплового баланса печного агрегата; что объясняется отсутствием топочных устройств.

В пекарной камере электрических печей сопротивления в качестве теплообменных устройств устанавливают трубчатые электронагреватели, которые относятся к категории темных инфракрасных излучателей. Поэтому характер теплообмена в пекарной камере с трубчатыми нагревателями не отличается от характера теплообмена в пекарной камере с иными трубчатыми теплообменниками. При тепловом расчете печей сопротивления составляют тепловой баланс печи - пекарной камеры, из которого определяют расход энергии, т. е. потребляемую мощность печи.

Необходимая расчетная мощность печи устанавливается по величине расхода энергии Qп. к ; установленная мощность печи Pуст определяется с учетом коэффициента запаса мощности К.. Установленная мощность печи (в кВт)

Pуст = Qп. к К

Избыток установленной мощности по сравнению с потребной необходим по следующим причинам:

а) из-за колебания напряжения в сети мощность печи уменьшается; при падении напряжения в сети на 5% мощность печи уменьшается примерно на 10%;

б) из-за «старения» нагревательных элементов - увеличения их сопротивления вызывают уменьшение мощности печи; старение происходит вследствие окисления поверхности материала спирали и изменения внутренней структуры его, уменьшения сечения нагревателя,

в) для быстрого разогрева печи и применения автоматической системы регулирования.

Промышленные электрические печи сопротивления имеют разные коэффициенты запаса мощности К в зависимости от технологического назначения печи, от расчетной мощности и других условий. Для печей с расчетной мощностью до 100 кВт К = 1,3 - 1,8; от 100 до 300 кВт К = 1,3 - 1,6.

При выборе коэффициента запаса следует иметь в виду, что избыточная установленная мощность не повышает удельного расхода электроэнергии; в ряде случаев за счет форсирования разогрева и сокращения длительности разогрева избыточная мощность позволяет снизить удельный расход электроэнергии.

Печь П-104 средней мощности, имеет площадь пода 25 м2, предназначена для выпечки хлебобулочных изделий широкого ассортимента. Обмуровка печи 8 - блочно-каркасная с засыпной изоляцией. Блоки и металлоконструкции стен заводского изготовления. Это позволяет ускорить и удешевить монтаж печи.

В тупиковой пекарной камере печи размещен Г-образный двухниточный конвейер 2 с втулочно-роликовыми цепями с шагом 140 мм. На конвейере 2 шарнирно подвешены 34 рамочных люльки 12 размером 235х2000 мм; для выпечки подовых изделий люльки имеют съемные стальные подики размером 350´2000 мм.

В пекарной камере печи установлено 72 ТЭН 9 мощностью 2,5 кВт каждый. В соответствии с принятой кинетикой расхода теплоты в пекарной камере в каждой условной зоне установлено соответствующее количество ТЭН.

Между ветвями конвейера установлен экран 4 из легких металлических коробов, разделяющий пекарную камеру по высоте на две части (верхнюю и нижнюю), в каждой из которых регулируется расход энергии в соответствии с кинетикой расхода теплоты на выпечку. В зоне увлажнения пекарной камеры установлен трубчатый увлажниПар в него подается из заводской котельной.

Температура в пекарной камере по зонам регулируется автоматически (путем регулирования мощности ТЭН).

Механическая выгрузка подовых изделий производится с помощью копира, разгрузочного устройства 13 и упоров на люльках. При подходе упора к копиру люлька поворачивается на угол°, изделия сползают с подика и попадают на разгрузочный транспортер 1, передающий готовую продукцию в экспедицию. Размеры посадочного окна, его конструкция и конструкция поса­дочного фронта печи позволяют применять посадочные механизмы при выпечке как формовых, так и подовых сортов хлеба. В зоне посадки установлен вытяжной зонт 6, а в задней стенке устроен лаз 11.

ТРУБЧАТЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ НАГРЕВАТЕЛИ

При выборе типа ТЭН для печей сопротивления нагревательный элемент следует рассчитывать на длительную работу в среде пекарной камеры с повышенной влажностью при температуре °С. Кроме того, количество и размещение ТЭН, а также мощность отдельного нагревателя должны обеспечить равномерную теплоотдачу к поду по ширине пекарной камеры.

Нагревательный элемент необходимо обеспечить надежной защитой от попадания непосредственно на него крошек, кусочков теста, влаги. Крепление ТЭН должно обеспечивать возможность легкой замены их. Конструкция и монтаж ТЭН не должны допускать короткого замыкания на корпус печи.

ТЕН состоит из спирального нагревателя (из нихромовой проволоки) и электроизолирующего слоя – наполнителя, которым служит окись магния (мелкий белый порошок). При высоких температурах (600 – 800 °С) применяется плавленая окись магния - периклаз. При более низких темпе­ратурах (до 400° С) можно применять кварцевый песок. Защитный кожух изготовляют из тонкостенной цельнотянутой стальной трубки (сталь марки Ст. 10) для температур, не превышающих 400° С. При более высокой температуре применяют защитные трубки из нержавеющей стали марки 1Х18Н10Т.

Для равномерного распределения нагрузки между фазами (при трехфазном переменном токе) и удобства регулирования тепловой нагрузки число ТЭН принимается кратным 3.

Лекция № 9.

Область применения оборудования для сушки сырья и полуфабрикатов.

Основные положения теории сушки.

Кинетические закономерности процесса сушки.

Сушкой называется термический процесс удаления влаги из твердых материалов или растворов посредством ее испарения или выпаривания. Это одна из важнейших стадий технологического процесса, определяющая качество продукта, поскольку важно не только высушить продукт, но и сохранить его биологическую ценность. Для удаления влаги из продукта необходимо затратить энергию. По энергетическому признаку можно выделить два основных принципа обезвоживания: 1) удаление влаги из продукта без изменения ее агрегатного состояния, т. е. в виде жидкости; 2) удаление влаги с изменением ее агрегатного состояния.

Первый принцип обезвоживания осуществляется механическим способом (прессование, центрифугирование, фильтрование и др.). Второй принцип сушки связан с затратой теплоты на фазовое превращение воды в пар.

Скорость сушки определяется скоростью диффузии (перемещения) влаги из глубины высушиваемого продукта в окружающую среду. Удаление влаги при обезвоживании сводится к перемещению теплоты и влаги внутри продукта и ее переносу с поверхности в окружающую среду.

Сушка является типичным нестационарным необратимым процессом, при котором влагосодержание материала меняется как в объеме, так и во времени, и сам процесс стремится к равновесию. Интенсивность сушки зависит от физико-химических свойств материала и движущей силы процесса.

Применение принципов обезвоживания и видов сушки обусловлено энергией связи влаги с материалом.

По величине энергии таких связей различают: химически, физико-химически и физико-механически связанную влагу.

Химически связанная влага наиболее прочно соединена с материалом в строго определенных соотношениях и может быть удалена только при нагревании продукта до высокой температуры (прокаливание более 120 оС ) или в результате проведения химической реакции.

Физико-химическая связь объединяет два вида влаги, отличающихся между собой прочностью связи с материалом - это адсорбционно и осмотически связанная влага. Адсорбционная влага прочно удерживается на поверхности и в порах продукта. Осмотически связанная вода находится внутри клеток продукта. Адсорбционная влага требует для своего удаления значительно большей затраты энергии, чем влага осмотическая. Для удаления адсорбционно связанной влаги ее нужно превратить в пар, после чего она перемещается внутри материала в виде пара, для этого требуется затратить теплоту.

Физико-механическая влага подразделяется на влагу макрокапилляров (со средним радиусом большем) и микрокапилляров (со средним радиусом меньшем). К этой форме связи влаги с продуктом относится также структурная влага (при образовании геля) и влага смачивания. Макрокапилляры заполняются влагой при непосредственном соприкосновении ее с материалом, в то время как в микрокапилляры влага поступает при непосредственном соприкосновении или в результате поглощения ее из окружающей среды.

Капиллярная влага перемещается в виде жидкости или пара. В процессе сушки из высушиваемых овощей и фруктов в первую очередь выделяется капиллярная влага, испаряющаяся как с поверхности, так и изнутри капилляра. Эту часть влаги называют свободной влагой, поскольку испарение ее подчиняется закону испарения жидкости с открытой поверхности.

Все влажные материалы в зависимости от их основных коллоидно-физических свойств делятся на три вида: типичные коллоидные (желатин, агар-агар), капиллярно-пористые (влажный кварцевый песок, древесный уголь), капиллярно пористые коллоидные (фрукты, овощи, мясо, творог).

Влажность продукта в процессе сушки изменяется. Влажность, отнесенная к общей массе продукта, находят по формуле

W = (Gвл /G

где Gвл - масса содержащейся в продукте влаги, кг; Gвл - общая масса продукта, кг.

Влажность, отнесенную к количеству абсолютно сухого вещества, Wc %), определяют по формуле

Wc = (Gвл /Gc

где Gc - масса абсолютно сухого продукта, кг.

Влажность W и Wc связаны между собой зависимостью (%)

Wc = 100W/(100 – W)

Перед началом сушки сушильный агент (влажный воздух) является смесью сухого воздуха с паром. В процессе сушки его влажность увеличивается, т. е. доля влаги, содержащаяся в смеси, при обезвоживании возрастает.

Влажный воздух характеризуется следующими основными параметрами: барометрическим давлением, парциальным давлением водяного пара, абсолютной и относительной влажностью, влагосодержанием, энтальпией (теплосодержанием) и др.

Относительная влажность является одной из важнейших характеристик воздуха как сушильного агента и определяет его влагоемкость, т. е. способность воздуха к насыщению парами влаги.

Разность между температурой воздуха и температурой мокрого термометра характеризует способность воздуха поглощать влагу из материала. Эту разность температуры называют потенциалом сушки

Особенность переноса теплоты при сушке состоит в том, что здесь он осложняется переносом влаги. При испарении влаги с поверхности какого-либо продукта возникает перепад влагосодержания между его наружным и внутренними слоями, что и обеспечива­ет дальнейшее перемещение влаги из внутренних, более влажных участков к его поверхности, имеющей меньшую влажность. Происходит непрерывное уменьшение влажности во всем объеме материала. Перенос влаги в материале носит название влагопроводности.

На перемещение влаги внутри продукта также оказывает влияние перепад температуры. Под влиянием температурного перепада часть влаги будет перемещаться от поверхности к внутренним слоям материала. Это явление носит название термовлагопроводности.

Характер протекания процесса сушки наиболее полно описывается кривыми сушки (в координатах влажность материала - время), кривыми скорости сушки (в координатах скорость сушки - влажность материала) и температурными кривыми (в координатах температура материала - влажность материала).

Кривую кинетики сушки можно разделить на три участка: прогрева, постоянной скорости сушки (первый период) и падающей скорости (второй период). Во время прогрева подводимое к продукту тепло расходуется на прогрев материала от начальной температуры до температуры мокрого термометра и на испарение влаги. Период прогрева обычно незначителен по сравнения с другими периодами сушки, его продолжительность зависит от толщины материала. Скорость сушки в этот период возрастает от нуля до значения скорости в первый период сушки.

Затем следует период постоянной скорости сушки, который характеризуется постоянной скоростью уменьшения влажности и постоянной температурой продукта. При этом давление пара над продуктом будет постоянным и равным давлению насыщенного пара при температуре мокрого термометра.

В период постоянной скорости сушки интенсивность процесса определяется только параметрами сушильного агента и не зависит от влажности и физико-химических свойств продукта. Продолжительность периода постоянной скорости сушки увеличивается с повышением температуры, потенциала сушки сушильного агента, т. к. при этом уменьшается значение критической влажности продуктов. Этот период продолжается до наступления первой критической влажности, т. е. влажности момента между периодом постоянной и падающей (убывающей) скоростями сушки.

В периоде убывающей скорости сушки, называемом вторым периодом, скорость обезвоживания уменьшается по мере снижения влажности продукта; температура его постепенно увеличивается, приближаясь к температуре сушильного агента. Процесс сушки продолжается, пока продукт не достигнет равновесной влажности, соответствующей параметрам воздуха в сушилке, и тогда обезвоживание прекращается.

Интенсивность сушки характеризуется количеством влаги, удаленной с 1 м2 поверхности в единицу времени. Скорость сушки выражается количеством влаги, удаляемой в единицу времени (в % /ч ). Скорость сушки находят путем графического дифференцирования кривой сушки или разбивкой ее на равные по времени участки с последующим делением величины убыли влаги в этих отрезках на длительность.

Кривые скорости имеют аналогичные характерные точки перехода из одного периода сушки в другой. Точка С соответствует критической влажности материала. В период падающей скорости кривые имеют различный вид в зависимости от режима сушки и форм связи влаги с материалом. Перегиб на кривой скорости сушки указывает на изменение характера перемещения влаги в материале.

Лекция № 10.

Классификация сушильных установок и способов сушки. Тепловой баланс сушильной установки. Тенденции развития сушильной техники.

Классификация сушильных установок и способов сушки.

Для сушки применяют разнообразные сушилки отличающиеся по. ряду признаков, которые положены в основу классификации.

По давление в рабочем пространстве - Атмосферные, вакуумные (100 – 900 МПа), под «избыточным» давлением (более 0,2 МПа)

По режимы работы - Периодического или непериодического действия

По направлению движения теплоносителя относительно материала - Прямоточные, противоточные, с перекрестным током, реверсивные

По характеру циркуляции теплоносителя – С естественной и принудительной циркуляцией

Способ нагревания теплоносителя – С паровыми воздухоподогревателями, с топочными устройствами, с электрообогревателями, комбинированные

По кратности использования теплоносителя - Прямоточные или рециркуляционные

По способ удаления влаги из сушилки – С отходящим теплоносителем, с продувочным воздухом, компенсационные, с. химическим поглощением влаги

По способу подвода тепла к материалу - Конвективные, кондуктивные, с лучистым нагревом (радиационные) и диэлектрические (с нагревом токами высокой частоты и ультразвуковым нагреванием)

По виду высушиваемого материала - Для крупнодисперсных, тонкодисперсных.. пылевидных, ленточных, пастообразных материалов, жидких растворов или суспензий

По гидродинамическому режиму - С плотным неподвижным слоем, перемешиваемым: слоем, взвешенным слоем (псевдоожиженный слой, фонтанирующий слой, закрученные потоки), с распылением в потоке теплоносителя

По конструктивному типу сушилки - Камерные, шахтные, ленточные, барабанные и др.

Тепловой баланс сушильной установки

Для конвективных сушилок с однократным использованием газа и сушилок с кондуктивным и радиационным подводом тепла расход агента сушки и топлива наиболее просто определить аналитически из теплового баланса сушилки. Для конвективных сушилок с рециркуляцией отработанных газов, многозонных сушилок с промежуточным подогревом агента сушки и частичным его возвратом расход газов, топлива и т. д. наиболее рационально определять графо-аналитическим способом с использованием I - d-диаграммы.

Если на основании опытных данных известен режим процесса, то из теплового баланса можно определить расход тепла на сушку и расход соответственно топлива, электроэнергии, пара.

Суммарный расход тепла в сушилке равен:

SQ = Qи + Qн + Q5 + Q2 + Qд ± Qх + Qт ккал/ч

где Qи и Qн - расход тепла соответственно на испарение влаги и нагрев материала;

Q5 и Q2 - потери тепла соответственно в окружающую среду и с отходящими газами;

Qд - расход тепла на дегидратацию и другие эндотермические процессы;

Qх - теплота химических превращений (знак минус при выделении тепла);

Qт. - расход тепла на нагревание дополнительно вводимых веществ (пар, сжатый воздух и т. д.) и транспортных средств.

Для непрерывнодействующих сушилок рассчитывают часовой расход тепла, для сушилок периодического действия - расход тепла на один цикл сушки.

При графо-аналитическом расчете с помощью I – l диаграммы расход тепла на сушку рационально относить к 1 кг испаряемой влаги.

Расход тепла на испарение влаги равен:

Qи = W(iп – iж) ккал/ч (1)

Для воды

Qи = W(595 + 0,47tот – t1) ккал/ч (2)

где iп - энтальпия перегретого пара при температуре отходящих газов, ккал/кг;

iж - энтальпия жидкости при начальной температуре материала, ккал/кг;

tот - температура отходящих газов, °С;

t1 - начальная температура материала, °С

Если начальная температура материала ниже нуля, то в уравнение 1 следует подставлять значение энтальпии льда, а в уравнении (2) условно принимать t1 = 0°С. При этом все расходы тепла на нагревание переохлажденной жидкости и льда до 0°С и его размораживание надо учитывать при подсчете общего расхода тепла на нагрев материала.

Расход тепла на нагрев материала:

Qн = G2 cм (t2 – t1) ккал/ч

где G2 – часовая производительность сушилки, кг/ч;

t2 - температура материала после сушки, оС;

cм - теплоемкость высушенного материала, ккал/(кг град).

Если часть влаги в материале находится в твердом состоянии, то расход тепла на нагрев материала составит:

Qн = G2 cм t2 + W ‘(gп + cт t1) +(W – W ‘) cж t1 ккал/ч

где gп - теплота плавления, ккал/кг (для воды gп = 80 ккал/кг);

cт - теплоемкость льда, ккал/(кг град);

W ‘ - количество замерзшей влаги, кг/ч;

W – W ‘ - количество переохлажденной жидкости, кг/ч;

cж - теплоемкость переохлажденной жидкости, ккал/(кг град).

Потери тепла сушилкой в окружающую среду:

Q5 = KF (tср – t0) ккал/ч

где K - коэффициент теплопередачи через стенку сушилки, ккал/(м2 ч град);

F - наружная поверхность сушилки, м2;

tср - средняя температура в сушилке, оС;

I2- температура окружающей среды, оС.

Теплоизоляцию сушилки подбирают так, чтобы температура наружной стенки не превышала 40° С или чтобы коэффициент теплопередачи был равен 0,5 - 1,0 ккал/(м2 ч град).

Потери тепла с отходящими газами составят:

Q2 = L (I2 – I0) ккал/ч

где I2 - энтальпия газов при температуре t2 и начальном влагосодержании их d1, ккал/кг;

I0 - энтальпия наружного воздуха, ккал/кг;

L - часовой расход газов с учетом подсоса наружного воздуха), выбрасываемых в атмосферу, кг/ч (количество подсасываемого воздуха обычно принимают равным 10—15% от общего расхода газов).

Расход тепла на дегидратацию и другие эндотермические процессы:

Qд = gд G2 ккал/ч

где gд - удельная теплота дегидратации, отнесенная к 1 кг готового (сухого) продукта, ккал/кг.

При сушке различными способами тепло может расходоваться на нагревание дополнительных веществ и транспортных устройств. При этом дополнительные затраты тепла равны:

Qт = Gв cв (t2 – t0’) + (Gт /t) cт (tт – t0 ) ккал/ч

где Gв - количество вводимого вещества (пар, воздух и т. д.), кг/ч;

cв - теплоемкость вводимого вещества, ккал/(кг град);

t0’ - температура вводимого вещества, оС;

Gт - масса транспортирующих устройств, одновременно находящихся в сушилке, кг;

t - длительность сушки, ч;

cт - теплоемкость материала транспортирующих устройств, ккал/(кг град);

tт - температура транспортирующих устройств на выходе из сушилки, оС.

Тенденции развития сушильной техники.

Перспективы дальнейшего развития техники сушки связаны не только с модернизацией и унификацией узлов разработанных типовых аппаратов, но и с разработкой новых сушилок, которые принципиально отличаются тем, что при равных или близких показателях они являются аппаратами большой тепловой мощности и повышенной надежности, обеспечивающими высокое качество высушенного продукта при экологической чистоте проведения процесса.

Для повышения экономической эффективности. работы аппарата может быть выбран один из следующих путей:

- увеличение удельной производительности, за счет интенсификации процесса, применения комбинированных способов сушки и совмещение различных процессов в одном аппарате при организации непрерывности процесса.

- снижение удельных энергозатрат за счет использования оптимальных режимов сушки, организации рециркуляции сушильного агента, использование нетрадиционных источников энергии и тепла низкого потенциала

- повышение степени автоматизации и механизации.

Лекция № 11.

Сушка сыпучих продуктов в шахтных сушилках.

На хлебоприемных и зерноперерабатывающих предприятиях широкое распространение получили шахтные зерносушилки. В этих сушилках (прямоточных и рециркуляционных) процесс сушки основан на конвективном способе подвода тепла к продукту, а агент сушки выполняет функции тепловлагоносителя. Скорость движения агента в слое зерна обычно составляет 0,2 – 0,5 м/с, а скорость движения зерна в шахте в несколько раз меньше.

Камеры для сушки и охлаждения представляют собой вертикальные шахты прямоугольного сечения с расположенными в них коробами (шаг по вертикали и по горизонтали 200…300 мм). Короба имеют сверху наклонные грани, по которым скользит зерно. Угол наклона граней к горизонту равен 53 – 550.

Короба бывают подводящие и отводящие, они служат для подвода и отвода агента сушки в сушильных камерах и атмосферного воздуха в охладительных камерах.

Общее число коробов в сушильной и охладительной шахтах выбирают в зависимости от количества подаваемого сушильного агента. Для лучшего перемешивания зерна короба располагают в шахматном порядке. Число подводящих и отводящих коробов обычно одинаково.

Схема движения агента в шахтных зерносушилках.

Подводящие и отводящие короба в большинстве зерносушилок чередуются через один ряд (рис. а). Сушильный агент, выходя из подводящего короба пронизывает слой зерна и подходит в верхний или нижний ряд отводящих коробов, откуда его выводят наружу. В некоторых зерносушилках отводящие и подводящие короба расположены в одном ряду через один (рис. б). В этом случае сушильный агент пронизывает слой зерна в горизонтальном направлении между нижней кромкой подводящих коробов и верхней частью коробов нижнего ряда. В современных сушилках устанавливают пятигранные клиновые короба с жалюзями на боковых сторонах, что позволяет обеспечить максимальное влагонапряжение сушильных и охладительных шахт (рис. в).

Расположение коробов должно обеспечивать свободное прохождение зерна. Однако большое расстояние между коробами увеличивает толщину зернового слоя и снижает равномерность сушки, а также повышает сопротивление слоя. Поэтому расстояние для прохождения зерен в наиболее узком месте делают 90 – 100 мм.

Верхнюю часть шахты используют как сушильную, а нижнюю как охладительную. Конструкция сушильной и охладительной шахт одинаковая. Время пребывания зерна в шахте регулируют специальным выпускным механизмом, расположенным в нижней ее части. Чем медленнее выпускают зерно из шахты, тем больше времени оно находится в ней под воздействием сушильного агента. При более быстром выпуске зерна из шахты влажность зерна снижается меньше.

Шахтные сушилки могут работать под разряжением или при избыточном давлении. Для ступенчатых режимов сушки сушильные шахты разделяют на зоны (две или три). При работе сушилки под избыточным давлением каждую зону обслуживает самостоятельный вентилятор. При работе сушилки под разряжением вентилятор обслуживает две зоны.

В прямоточных шахтных сушилках (типа ДСП, СЗШ-16, ЗСПЖ-8, К4-УСА) продукт проходит через сушильную камеру один раз. Эти шахтные сушилки просты по конструкции, удобны в обслуживании, надежны в работе, обладают сравнительно высокими технико-экономическими показателями. Однако их конструктивные недостатки (несовершенство выпускных и воздухораспределительных устройств, а также неравномерное перемешивание зерна при сушке) приводят к неравномерности нагрева и сушки зерна различной влажности и снижению влажности за один проход на 6%. Поэтому до направления на сушку зерно формируют партиями с небольшими колебаниями по влажности.

Эти недостатки устранены в зерносушилках с комбинированным способом сушки, получивших название рециркуляционных. В этих сушилках (типа РД-2´25-70, У2-УЗБ-50, А1-ДСП-50, А1-УЗМ) продукт проходит через сушильную камеру несколько раз и число рециркуляций зависит от начальной влажности продукта. Рециркуляционные сушилки обеспечивают: сушку зерна с доведением до требуемых значений влажности независимо от его первоначальной влажности при сохранении качества зерна; смешивание перед подачей в сушилку зерна различной влажности и получение равномерно высушенного; формирование партий зерна по признакам, определяющим его пищевые и технологические достоинства; снижение расхода топлива и затрат на сушку.

Зерно, подлежащее сушке, подают в оперативный бункер 1, из которого рециркуляционная нория 3 подает его в приемный бункер 4. Зерно пропускают через камеру нагрева 5 и загружают им тепловлагообменник 6 и обе шахты. После этого подачу сырого зерна прекращают и регулируют безприводное устройство, добиваясь равномерного направления зерна в камеру по ее сечению, а также устройства для выпуска зерна из шахт. После этого включают в работу вентилятор камеры нагрева 9 и топку 2. Доведя нагрев зерна до допустимой температуры, включают вентиляторы охладительных шахт 10.

Влажность сырого зерна в сушилке снижается до заданной в результате многократной циркуляции. После достижения заданной влажности зерно выпускают из шахты окончательного охлаждения 11. Одновременно из оперативного бункера в рециркуляционную норию подают сырое зерно в объеме, равном выпущенному из сушилки. Смешиваясь с рециркуляционным, сырое зерно поступает в камеру нагрева.

В ней агент сушки, движущийся снизу вверх в направлении противоположном движению зерна нагревает его. Из нее зерно поступает в тепловлагообменник, где находится около 15 минут. В этот момент происходит интенсивный влагообмен между отдельными зернами и выравнивание их температуры. После тепловлагообменника зерно разделяют на два потока: один направляют в шахту промежуточного охлаждения для дальнейшей рециркуляции, а другой в шахту окончательного охлаждения. На выходе из шахты окончательного охлаждения просушенное зерно должно иметь заданную влажность.

В основном влага из зерна удаляется в охладительных шахтах под действием теплоты полученной в камере нагрева. Для достижения зерном заданной влажности из шахты промежуточного охлаждения его возвращают на рециркуляцию. Сырое зерно смешивают с рециркуляционным в таком соотношении, чтобы средневзвешенная влажность смеси превышала конечную влажность на выходе из сушилки на величину средневзвешенного снижения влажности за один цикл. Температура отработанного агента сушки должна быть близка к температуре зерна в камере нагрева.

Лекция № 12.

Барабанные сушильные агрегаты.

Барабанные атмосферные сушилки непрерывного действия предназначены для сушки сыпучих материалов.

К барабанным относятся горизонтальные цилиндрические сушилки с вращающимся или неподвижным корпусом. В первом случае вместе с барабаном вращается внутренняя насадка, обеспечивающая перемешивание материала, во втором - специальное перемешивающее устройство. По способу подвода теплоты барабанные сушилки делятся на конвективные (прямого действия), контактные (непрямого действия) и комбинированные (смешанного действия).

Сушильная камера представляет собой наклонный вращающийся барабан (ось барабана может быть наклонена к горизонту до 40), на корпус которого надеты два бандажа и зубчатый венец. Бандажами барабан опирается на свободно вращающиеся ролики, установленные на рамках опорной и опорно-упорной станций. Два упорных ролика на раме опорно-упорной станции ограничивают осевое смещение барабана. Барабан вращается вокруг своей оси со скоростью 0,5... 8 об/мин. Оба конца барабана имеют различные уплотнения (сальниковые, манжетные, секторные, лабиринтные и др.) в зависимости от температуры поверхности корпуса и диаметра барабана. Уплотнения предотвращают подсосы воздуха извне и уменьшают расход энергии на вентилятор.

Внутри корпуса устанавливают различные насадки и другие внутренние устройства, способствующие равномерному распределению по сечению материала и интенсивному перемешиванию его в процессе сушки. конструкция насадки соответствует зависит от свойств высушиваемого материала. При сушке материалов с большой адгезией к поверхности барабана на начальном участке закрепляют цепи, при помощи которых разрушаются комки и очищаются стенки барабана. Для этой же цели могут использоваться ударные приспособления (молотки, била), расположенные с внешней стороны барабана.

Интенсификация барабанных конвективных сушилок обеспечивается усовершенствованием конструкции внутренней насадки, увеличивающей количество сыпи.

Для оценки эффективности насадки предложена приближенная зависимость

Кэф = 0,45nÖ h

где п - частота вращения, об/мин; h - средняя высота слоя, м.

Коэффициент Кэф характеризует отношение объема материала, находящегося в сыпи, к полному объему материала в аппарате. Другой важной характеристикой барабанной сушилки является коэффициент заполнения bм . Чем выше bм, тем больше поверхность высушиваемого материала участвует в тепло - и массообмене с сушильным агентом и тем эффективнее используется рабочий объем барабана. Величина bм зависит от конструкции насадки; по практическим данным bм = 0,15...0,35.

Схемы некоторых внутренних насадок барабанных сушилок:

а - винтовая распределительная (приемно-винтовая); б, в, г, и - подъемно-лопастная; д, е - лопастная секторная; ж - секторная (перевалочная); з - самоочищающиеся лопатки

Рассмотрим конструкцию двухходовой барабанная сушилки.

1 – питатель, 2 – внутренний барабан, 3 – наружный барабан, 4 – бункер для выгрузки продукта

Сушилка представляет собой два барабана – внутренний и нарудный. Внутренний барабан 2 состоит из трех частей, соединенных между собой. Для компенсации температурных расширений в местах соединения поставленны специальные прокладки. Наружный барабан цельносварной. Внутренняя насадка обоих барабанов подъемнолопастная. Материал из питателя 1 поступает во внутренний барабан. Сюда же подают подают агент сушки. Далее продукт поступает во внешний барабан для окончательной подсушки, оттуда в камеру, а затем удаляется из сушилки.

Для приближенных расчетов среднее время пребывания материала в барабанной сушилке можно определить по уравнению

, мин

где Lб – длина барабана, м;

Dб – диаметр барабана, м;

n – скорость вращения, об/мин;

b - угол наклона барабана, рад;

u – скорость газа, м/сек

a – поправочный коэффициент (а = 0,007)

Расход электроэнергии на вращение барабана приближенно можно определить по уравнению :

N = 1,3.10-3 D б-3 L б gн ns , кВт

где gн – кажущаяся плотность материала, кг/м3;

s - константа, зависящая от конструкции насадки и степени заполнения барабана; для периферийных лопаток при степени заполнения x = 10% константа s = 0,4 при x = 20% константа s = 0,62.

Конструкции барабанных сушилок с подъемно-лопостной системой внутренних устройств имеют следующие недостатки: невысокая производительность ( из-за малой поверхности контакта); небольшое напряжение объема сушильного барабана по испаренной влаге ( за счет нерационального использования теплоносителя); присутствие непересыпающегося слоя и зоны «завала» не обеспечивают равномерности сушки.

В связи с этим сейчас наибольший интерес представляют барабанные сушилки с поперечной подачей подачей теплоносителя в слой материала. В них сушильный агент подается только в те отсеки, над которыми находится высушиваемый продукт. В контакте с теплоносителем находится практически весь продукт. Сушильный агент имеет начальное влагосодержание по всей длине барабана. На продолжительность сушки в барабане с канальной насадкой влияют два фактора: движение материального потока продукта и распределение газового потока в слое.

Существуют барабанные вакуумные сушилки которые работают, как правило, периодически. Их применяют для сушки термочувствительных материалов от воды и органических растворителей, а также для осушки токсичных материалов. В зависимости от свойств материала и требований к готовой продукции применяют сушилки среднего (остаточное давление кПа) или глубокого (остаточное давление до 133,3 Па) вакуума.

Барабанные вакуумные сушилки (типа СВГР) представляет собой горизонтальный цилиндрический барабан с рубашкой, внутри которого установлено перемешивающее устройство. В этих сушилках могут быть установлены перемешивающие устройства различных конструкций: гребковая мешалка без обогрева, лопастная мешалка с обогреваемым валом или мешалка с дополнительными трубчатыми поверхностями теплообмена. Сушка продукта происходит при контакте с нагретыми поверхностями в условиях вакуума.

Лекция № 13.

Конвейерные сушилки.

В ленточных сушилках имеется ленточный одно - или многоярусный транспортер, расположенный внутри корпуса. Сушилки работают непрерывно с рециркуляцией газа и без нее; в некоторых конструкциях предусмотрен внутренний многократный подогрев газообразного теплоносителя, в качестве которого используют топочные газы, воздух, а иногда перегретый вар.

В ленточных сушилках наряду с сушкой можно проводить охлаждение материалов, причем такие установки отличаются от обычных только числом ярусов транспортера. Конструкция ленточного транспортера обусловлена свойствами высушиваемого материала. Транспортеры могут выполняться в виде металлической плетеной сетки, перфорированной штампованной или пластинчатой ленты, отдельных прямоугольных лотков с укрепленной в них сеткой. Транспортеры могут иметь одну или две рабочие поверхности. Большинство сушилок данного типа работают с продувкой слоя движущегося материала потоком газообразного теплоносителя.

Ленточные сушилки предназначены для сушки сыпучих (зернистых, гранулированных, крупнодисперсных) и волокнистых материалов, а также готовых изделий и полуфабрикатов. Для тонкодисперсных пылящих материалов ленточные сушилки не используются, так как пыль трудно удерживается на ленте и оседает на калориферах, при этом пыль органических материалов может обугливаться и даже возгораться. Ленточные сушилки особенно целесообразны для сушки формованных изделий, при сушке которых не допускается расслоение или повреждение формы.

В ленточных - сушилках легко осуществляются прямоток, противоток и смешанная схема движения теплоносителя и продукта. Сушилки с одним транспортером обычно делают многозонными в направлении движения материала. Для более равномерной сушки газообразный теплоноситель сначала подают под. ленту и пропускают через слой материала, а затем пропускают над слоем. Зоны сушки могут различаться не только направлением газового потока, но и температурой, влажностью, скоростью прохождения газов через слой.

В многоленточных сушилках агент сушки используют многократно, пропуская его снизу вверх последовательно через несколько транспортеров с материалом. Перед. каждым слоем его подогревают, в калориферах, установленных между лентами. В некоторых случаях под каждую ленту извне подают, добавочный свежий теплоноситель. Такое же количество газообразного теплоносителя после пропускания через слой материала выводят из установки. В этом случае на каждом транспортере может быть только одна зона, отличающаяся от других температурой агента сушки, так как количество теплоносителя, проходящего через. каждую ленту, одинаково.

Неравномерность сушки по высоте слоя устраняется перевешиванием материала при его пересыпании с одной ленты на другую. В некоторых конструкциях ленточных сушилок для перемешивания и выравнивания слоя материала над лентой помещают специальные ворошители. Для этой же цели иногда газ подводят под ленту через сопла, расположенные на определенном расстоянии одно от другого. В местах входа газовой струи происходит интенсивное перемешивание материала.

Ленточная десятиярусная сушилка типа СЛ-10 представляет собой камеру, внутри которой установлены один над другим пять транспортеров, а между ними ребристые калориферы. В верхней и нижней частях камеры расположены воздуховоды, каждый из которых оборудован семью шиберами для равномерного распределения воздуха по длине сушилки. Несущим полотном транспортеров являются последовательно установленные сетки, укрепленные в рамках поворачивающихся вокруг оси. Рамки движутся вместе с цепями по направляющим уголкам. В конце каждой ветви транспортера в упорных уголках имеются вырезы. Дойдя до места выреза, рамки с продуктом опрокидываются и высушенный материал пересыпается на нижележащее полотно. Для выравнивания по полотну имеются специальные приспособления. Транспортера приводятся в движение от общего привода.

Скорость движения транспортеров одинакова, ее можно регулировать бесступенчатым электровариатором. Воздух проходит через слой материала снизу вверх и отсасывается вентилятором. Материал подают на верхний транспортер и выгружают шнеком расположенным в нижней части камер.

Для сушки пастообразных материалов применяют вальце-ленточные сушилки, которые состоят из ленточной сушилки и формовочно-сушильных вальцев. Эти сушилки обеспечивают предварительное формование и подсушку материала. Формующая (вальцовая) часть сушилки состоит из рифленого вальца, на поверхности которого выполнены кольцевые канавки трапецеидального сечения, и пресс-валка, служащего для заполнения канавок пастообразным материалом. Валец и пресс-валок обогреваются паром. За один оборот вальца формованная паста подсушивается и снимается. ножами имеющими форму гребенки; после чего поступает на сетчатую транспортерную ленту. сушилки для дальнейшей сушки. Удельные параметры вальце-ленточных сушилок: производительность по испаренной влагекг/(м2-ч); расход тепла на 1 кг испаренной влаги 6 - 7 МДж; расход воздуха на 1 кг испаренной влаги 20—30 кг. Наибольшая высота слоя продукта на транспортерной ленте 100 мм. Продукт, подлежащий сушке, должен обладать способностью формоваться на рифленом вальце.

Инженерные расчеты.

Масса высушенного продукта, выходящего из ленточной сушилки G2 (кг/ч), рассчитывается по формуле:

,

где G1 – пропускная способность по влажному продукту, кг/ч; u1 и u2 – начальная и конечная влажность продукта, %.

Массовый расход воздуха на сушку L (кг/ч) определяется как

где W – количество испаренной влаги в зоне сушки, кг/ч; l – расход воздуха на испарение 1 кг влаги, кг/кг.

,

где d2 и d1 – влагосодержание воздуха, г/кг.

Расход теплоты в воздухоподогревателе Q (Дж/ч), определяется как

,

где q – расход теплоты, отнесенный к1 кг выпаренной влаги, Дж/кг

где I1 и I0 – энтальпия влажного воздуха до калорифера и после него (находят по I – d диаграмме).

Площадь поверхности нагрева Fв (м2) воздухоподогревателя равна

,

где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К); Dt – средняя логарифмическая разность температур, 0С.

Площадь ленточной сушилки Fс (м2)

,

где qуд – удельная производительность сушилки по сухому продукту, кг/(м2×ч).

Общая длина лент сушилки lс (м)

,

где в – ширина ленты, м

Лекция № 14.

СУШИЛКИ СО ВЗВЕШЕННЫМ СЛОЕМ

Сушильные установки с кипящим и фонтанирующим слоями.

Сушилки взвешенного слоя (псевдоожиженного и фонтанирующего) конструктивно можно разделить на одно - и многосекционные. Односекционные аппараты наиболее просты как в конструктивном, так и эксплуатационном отношениях; обладают высокими экономическими показателями, легко поддаются автоматизации. Их недостатком является неравномерность сушки, обусловленная широким спектром времени пребывания отдельных частиц в рабочей зоне аппарата.

Для повышения равномерности обработки используют многосекционные сушилки: с последовательным движением материала и подачей свежего теплоносителя в каждую секцию и ступенчато-противоточные со встречным движением материала и теплоносителя.

Сушилки псевдоожиженного слоя могут иметь расширяющееся или постоянное по высоте сечение. Квадратные камеры и камеры прямоугольного сечения менее предпочтительны, чем круглые, так как в них больше вероятность образования застойных зон.

Принципиальные схемы наиболее распространенных сушилок с псевдоожиженным слоем.

На рис. а показана схема однокамерной сушилки с ненаправленным движением материала. Сушильная камера имеет круглое сечение и может быть цилиндрической или расширяющейся (для уменьшения уноса мелких частиц из камеры). Максимальное сечение камер подбирают так, чтобы предотвратить унос мелких частиц. Такие сушилки обычно используют для сушки термостойких материалов.

На рис. б представленна схема сушилки с направленным движением материала. В таких сушилках угол наклона решетки обычно 1 – 4О; они характеризуются большими скоростями движения материала в слое. Для выравнивание времени пребывания частиц материала в камере устанавливают поперечные перегородки. Угол наклона решетки принимают в зависимости от скорости псевдоожижения, длины решетки и характера изменения свойств частиц в процессе сушки. Сечение камеры в направлении газового потока может быть прямоугольным или трапециедальным (для уменьшения уноса частиц). Такие сушилки работают с перекрестным потоком материала и теплоносителя. Их рекомендуется применять при удалении влаги из трудновысыхающих материалов, для которых необходима высокая равномерность сушки.

На рис. в и г показаны схемы многосекционных сушилок. В сушилке, изображенной на рис. в, секции сушки расположены одна над другой, размеры решеток в секции одинаковы. Эти сушилки могут работать с направленным и ненаправленным движением материала. В каждой секции могут создаваться различные гидродинамические и температурные режимы, так как теплоноситель поступает в них от автономных вентиляторов. Эти сушилки применяют для термочувствительных материалов, свойства которых сильно изменяются в процессе сушки. Расположение секций одна над другой делают установку компактной, однако зона сепарации в них ограничена. Кроме того, переточные каналы из одной, секции в другую работают неудовлетворительно при сушке тонкодисперсных материалов. Поэтому необходимо создавать перепад давления между секциями. Такая сушилка рекомендуется для крупнозернистых материалов с хорошими сыпучими свойствами.

Для совмещения процессов сушки и прокаливания применяют многосекционные сушилки с многократным использованием теплоносителя показанные на рис. д (сушилка прямоугольного сечения с направленным движением материала) и рис. е (цилиндрическая сушилка). Для более надежной работы аппарата иногда верхнюю решетку делают несколько меньших размеров, чтобы снизить унос пыли из второй зоны.

Конструкции газораспределительных решеток

От конструкции газораспределительной решетки в большой степени зависит структура псевдоожиженного слоя. При этом решетка выполняет двойную функцию: равномерно распределяет газовый поток по сечению камеры и поддерживает слой при прекращении подачи газа. Наиболее равномерное распределение газов дают пористые плиты, но для промышленных сушилок они мало пригодны, поскольку забиваются материалом и имеют большое гидравлическое сопротивление. Различают два типа решеток: провальные и беспровальные.

Провальная решетка - это плита, на которой материал удерживается в процессе работы под действием скоростного напора газа. Неточности изготовления приводят к неравномерному псевдоожижению и залеганию материала.

Конструкции провальных решеток	Конструкции беспровальных решеток

Беспровальные решетки бывают трех типов: колпачковые (рис. а), представляющие собой плиты из жаропрочного материала, в отверстия которых вставлены сменные сопла - колпачки; двухслойные (рис. б), представляющие собой два параллельно расположенных листа, оси отверстий которых смещены одна относительно другой, и многослойные (рис. в), имеющие два или несколько параллельно расположенных листов, промежуток между которыми заполнен огнеупорным дробленым материалом. Недостаток таких решеток состоит в том, что постепенно они могут забиваться высушиваемым материалом. Свободное сечение решеток составляет 3 - 10%. Нижний предел обычно принимают при работе с малыми скоростями псевдоожижения. Диаметр отверстий составляет 1,5 – 2,5 мм, иногда достигает 5 мм. Тип и геометрические соотношения решеток выбирают в зависимости от свойств материала, размена частиц и скорости псевдоожижения.

Для потоков малых концентраций, если скорость витания частиц значительна уменьшается в процессе сушки, используется так называемый режим свободного фонтанирования (аэрофонтанные сушилки). При значительной концентрации частиц в фонтанирующем слое на их движение оказывают влияние соседние частицы; при этом сопротивление слоя потоку газа резко возрастает. Такой плотный фонтанирующий слой по своим свойствам близок к псевдоожиженному, но гидродинамически значительно более устойчив, что позволяет высушивать в нем не только сыпучие материалы, но и пасты, суспензии и растворы (сушилки с фонтанирующим слоем инертного носителя) (стеклянные, металлические или керамические шары, гранулы полистирола или фторопластовая крошка).

Вибрационные сушилки.

Вибрационные сушилки позволяют интенсифицировать процесс сушки дисперсных материалов, поскольку дают возможность сочетать контактный и конвективный подвод тепла. При вибрационном воздействии на материал создается устойчивый гидродинамический режим.

Вибрационные сушилки различаются рядом конструктивных особенностей, типом привода и способом подвода тепла к материалу. По конструктивному признаку их можно разделять на две группы: горизонтальные лотковые и вертикальные. По гидродинамическому режиму - на сушилки с виброаэрокипящим и виброкипящим слоем.

Режим виброаэрокипящего слоя создается в аппаратах, в которых дисперсный материал псевдоожижается под действием как вибрационных воздействий, так и газового потока, поступающего через перфорированное днище. Такой режим, сушки используется для крупнозернистых комкующихся материалов, а также тонкодисперсных материалов склонных к каналообразованию и агломерации частиц.

В аппаратах с виброкипящим слоем псевдоожижение материала осуществляется лишь под воздействием вибрационных колебаний. При этом тепло к материалу может подводиться как контактным, так. и комбинированным способом. Такие сушилки используются главным образом, для материалов с хорошо сыпучими свойствами.

Наиболее распространенными являются горизонтальные вибросушилки лоткового типа. Скорость перемещения материала в сушилке может варьироваться изменением угла наклона рессор, амплитуды и частоты колебаний, а также скорости газообразного теплоносителя, подаваемого в подрешеточное пространство сушилки.