БАРАБАННАЯ СУШИЛКА С ПЕРИФЕРИЙНОЙ ЛОПАСТНОЙ НАСАДКОЙ Российский патент 2003 года по МПК F26B11/04 

Изобретение относится к технике обработки сыпучих материалов во вращающемся барабане и может быть применено в пищевой, химической и других отраслях промышленности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту по решаемой задаче являются сушильные барабаны с периферийными насадками (Гришин М.А., Атаназевич В.И., Семенов Ю.Г. Установки для сушки пищевых продуктов. - М: Агропромиздат, 1989. - 214 с.), выполненными в виде горизонтального цилиндра с двумя бандажами, опирающимися на две пары роликов с приводом, люками для загрузки и выгрузки продукта.

Недостатками известных барабанов являются недостаточное количество частиц сыпучего материала, находящихся во взвешенном состоянии, и их неравномерное распределение по сечению барабана.

Технической задачей изобретения является обеспечение максимального количества частиц сыпучего материала, находящихся во взвешенном состоянии, и их равномерное распределение по сечению барабана.

Техническая задача достигается тем, что в барабанной сушилке с периферийной лопастной насадкой, состоящей из корпуса с лопатками, новым является то, что лопатки выполнены с профилем, построенным в полярных координатах по уравнению

где a - максимальное значение радиуса, м; ϕ - угол поворота лопатки,
и ориентированы относительно корпуса барабана таким образом, что прямая, проведенная через ось вращения барабана и начало координат профиля лопатки, имеет угол с касательной к профилю лопатки, проведенной из начала координат, равный углу естественного откоса сыпучего материала, причем от начала координат профиля до точки касания профиля лопатки с корпусом барабана в направлении против часовой стрелки лопатка имеет открытый участок.

Технический результат заключается в обеспечении максимального количества частиц сыпучего материала, находящихся во взвешенном состоянии, и их равномерном распределении по сечению барабана.

На фиг. 1 представлена расчетная схема лопаток барабанной сушилки, на фиг. 2 - профиль лопатки, построенной в полярных координатах, на фиг.3 показано положение лопатки, соответствующее началу ссыпания материала, на фиг. 4 - положение лопатки при повороте ее на угол ϕ=45^o, при котором часть продукта ссыпается с лопатки, на фиг.5 - положение лопатки при повороте на угол ϕ=90^o, при котором на лопатке останется половина первоначального объема продукта, на фиг. 6 - схема размещения (ориентация) лопатки относительно барабана, на фиг.7 - поперечное сечение барабана.

Сушилка (фиг. 7) содержит вращающийся барабан 1 с торцевыми крышками (условно не показаны), на внутренней стороне которого установлены лопатки оригинального профиля, конфигурация которого выбирается следующим образом.

На фиг.1 приведено поперечное сечение барабана (прототип), вращающегося вокруг центра с угловой скоростью ω в направлении по часовой стрелке. На лопатке D₁E₁О₁ (такая форма лопатки часто применяется в барабанных сушилках) расположен сыпучий материал, занимающий в поперечном сечении площадь S₁. Эта площадь ограничена дугой окружности B₁D₁, радиусом которой является внутренний радиус барабана R, лопаткой D₁E₁O₁ и прямой O₁B₁, расположенной под углом естественного откоса материала. При повороте лопатки на угол dϕ часть сыпучего материала ссыпается и последний в поперечном сечении будет занимать площадь S₂. Прямая O₂B₂ параллельна прямой О₁В₁, так как свободная поверхность продукта во всех положениях лопатки расположена под углом естественного откоса. Из точки D₂ отложена длина дуги D₂B₂. Очевидно, что площадь фигуры O₁E₁D₁C равна площади фигуры O₂E₂D₂В₂.

При повороте лопатки на угол dϕ с нее ссыпится материал объемом dV, который ограничен в поперечном сечении площадью фигуры О₁В₁С, причем dV=LdS, где L - длина лопатки в направлении оси барабана.

Скорость осыпания материала с лопатки в зависимости от угла поворота LdS/dϕ.

Можно предположить, что для равномерного заполнения всего объема сушилки сыпучим материалом скорость ссыпания с лопатки пропорциональна высоте h= R'sinϕ, где R' - радиус окружности, через которую проходят образующие концов лопаток

где k - коэффициент пропорциональности.

Обозначив A=kR'/L, получим
dS=Asinϕdϕ. (1)
При малых значениях угла dϕ площадь dS можно рассматривать как площадь сектора круга с центральным углом dϕ и радиусом r, проведенным из точки O₁. В этом случае

Приравняв правые части уравнений (1) и (2), получим

Максимальное значение радиуса, которое назовем размером лопатки и обозначим a, получается при

С учетом последнего уравнение (3) имеет вид

Уравнение (3) выражает собой профиль лопатки. Для удобства расчетов примем 2А= 1 и построим в полярных координатах по уравнению (3) профиль лопатки. Этот профиль показан на фиг.2, где началом отсчета углов ϕ служит прямая MN, точка О - центром, из которого проведены радиусы.

На фиг.3 показано положение лопатки, соответствующее началу ссыпания материала; прямая MN расположена под углом естественного откоса. Предположим, что в точке О лопатка имеет узкую щель, через которую может высыпаться материал. При повороте лопатки на угол ϕ=45^o (фиг.4) часть продукта ссыпается с лопатки, при повороте на угол ϕ=90^o (фиг.5) на лопатке останется половина первоначального объема продукта, при повороте на 180^o лопатка окажется пустой. На фиг. 4, 5 прямая OF расположена под углом, равным углу естественного откоса.

Полученный теоретически профиль лопатки имеет форму замкнутой кривой, чего практически не может быть по условиям заполнения лопатки сыпучим материалом, а также по условиям удаления материала.

Профиль лопатки (фиг.6) ориентирован относительно корпуса барабана таким образом, что прямая, проведенная через ось вращения барабана и начало координат профиля лопатки, имеет угол θ с касательной MN к профилю лопатки, проведенной из начала координат О, равный углу естественного откоса сыпучего материала, причем от начала координат О профиля до точки А касания профиля лопатки с корпусом барабана в направлении против часовой стрелки лопатка имеет открытый участок, что несколько искажает принятый закон скорости ссыпания материала с лопатки, но делает конструкцию реальной в части заполнения лопатки и удаления с нее сыпучего материала.

Другие лопатки, показанные на фиг.7, построены поворотом исходного положения лопатки на соответствующий угол. При этом размеры лопаток и их количество выбираются из условий максимального числа частиц сыпучего продукта, находящегося в падении с лопаток. Для этого необходимо рассмотреть схему барабана (фиг.7), имеющего внутреннее устройство в виде подъемно-лопастной насадки, в котором сыпучий материал начинает ссыпаться, когда лопатка находится в горизонтальной плоскости, проходящей через ось вращения барабана. Ссыпание материала происходит при изменении угла ϕ в пределах от 0 до 180^o. Как видно из фиг.7, высота падения частиц h изменяется по следующему закону:
2h=2R'sinϕ, (4)
причем
R'=R-a. (5)
Из уравнения (3) максимальное значение радиуса лопатки соответствует величине а при ϕ = π/4. Следовательно,

Время падения частицы с лопатки равно

Подставив в уравнение (7) уравнения (4) и (5), получим

Очевидно, что объем частиц сыпучего продукта V_r, находящихся в падении с лопаток, определяется зависимостью
V_r=V_лznt_ср,
где V_л - объем продукта, захватываемый одной лопаткой; z - число лопаток; n - частота вращения барабана; t_cp - среднее время падения частиц с лопаток;

где dV_л - объем сыпучего продукта, ссыпающийся с лопатки при повороте ее на угол dϕ.

Лопатка захватывает некоторый объем материала, который в поперечном сечении занимает площадь F₁. При повороте лопатки на угол ϕ на ней находится сыпучий материал в объеме F₂L. При повороте лопатки на угол dϕ с нее ссыпится объем
dV_л=LdF={F₁-F₂)L. (11)
Рассматривая dF как сектор круга с центром в точке Р, представим его в виде

Подставив в (10) уравнения (3), (6), (8), (11) и (12), получим

Интеграл в уравнении (13) не выражается элементарной функцией, поэтому он определен с помощью формулы параболических трапеций

При любых размерах число лопаток должно быть максимальным для обеспечения высокой степени наполнения барабана. В связи с тем, что профиль лопатки близок к окружности, на внутренней поверхности барабана можно разместить число лопаток
.

Подставив в (9) уравнения (13), (14) и (15), получим

Исследовав общеизвестными методами экстремумы данной функции, найдем, что максимальному значению V_r соответствует a=0,54R. Размер лопатки a=0,54R дает максимальное число частиц, находящихся во взвешенном состоянии при вращении барабана. Это справедливо только для лопатки, профиль которой описывается уравнением (3). Такой профиль лопатки наиболее целесообразен для барабанных сушилок.

Сушилка работает следующим образом.

Барабан 1 (фиг.7) приводится во вращение, и одновременно начинают загружать в него исходный влажный материал (в загрузочном торце барабана) и подают в продольном направлении теплоноситель. Сыпучий продукт захватывается лопатками 2 и постепенно ссыпается в поток теплоносителя, равномерно распределяясь по сечению барабана, где происходит его сушка. В этот период каждая частица со всех сторон омывается сушильным агентом, что обеспечивает интенсивный тепло- и массообмен. В контакте с теплоносителем находится практически весь сыпучий материал.

Таким образом барабанная сушилка с лопатками предлагаемого профиля обеспечивает равномерное распределение сыпучего материала по всему внутреннему объему барабана, и интенсифицируют процесс сушки за счет максимального количества частиц, находящихся во взвешенном состоянии.

Изобретение относится к технике обработки сыпучих материалов во вращающемся барабане и может быть применено в пищевой, химической и других отраслях промышленности. Согласно изобретению в барабанной сушилке с периферийной лопастной насадкой, состоящей из корпуса с лопатками, новым является то, что лопатки выполнены с профилем, построенным в полярных координатах по уравнению

где а - максимальное значение радиуса, м; ϕ - угол поворота лопатки, и ориентированы относительно корпуса барабана таким образом, что прямая, проведенная через ось вращения барабана и начало координат профиля лопатки, имеет угол с касательной к профилю лопатки, проведенной из начала координат, равный углу естественного откоса сыпучего материала, причем от начала координат профиля до точки касания профиля лопатки с корпусом барабана в направлении против часовой стрелки лопатка имеет открытый участок. Барабанная сушилка с лопатками предлагаемого профиля обеспечивает равномерное распределение сыпучего материала по всему внутреннему объему барабана, и интенсифицируют процесс сушки за счет максимального количества частиц, находящихся во взвешенном состоянии. 7 ил.

Барабанная сушилка с периферийной лопастной насадкой, состоящая из корпуса с лопатками, отличающаяся тем, что лопатки выполнены с профилем, построенным в полярных координатах по уравнению

где a - максимальное значение радиуса, м;
ϕ - угол поворота лопатки,
и ориентированы относительно корпуса барабана таким образом, что прямая, проведенная через ось вращения барабана и начало координат профиля лопатки, имеет угол с касательной к профилю лопатки, проведенной из начала координат, равный углу естественного откоса сыпучего материала, причем от начала координат профиля до точки касания профиля лопатки с корпусом барабана в направлении против часовой стрелки лопатка имеет открытый участок.