CC BY
10
УДК 66.041.453: 663.952.002.5
Подъемные устройства барабанных формователей-сушилок для скрученного чайного листа
З. А. Майсурадзе, канд. техн. наук; Д. А. Майсурадзе, магистр Институт чая, субтропических культур и чайной промышленности (Озургети, Грузия)
В ассортименте чайной продукции, производимой в Китае и Японии, значительное место занимают зеленые, в том числе и сферообразного вида сильно скрученные чаи. В Японии их называют «Сен-ча», в Китае — «Цзю-ча» или «Тю-ча», содержащий же много типса такого типа чай — «золотым» или «императорским». В Англии эти чаи называют Gunpowder, т.е. «порох» или «пушечный порох».
Технология получения указанного чая заключается в фиксации чайного листа пропариванием с удалением излишней влаги и охлаждением (Япония) или обжаркой на металлической поверхности контактным методом (Китай), скручивании фиксированного чайного листа и сушке. Причем операции обжарки и скручивания чередуют несколько раз, а после каждой обжарки охлаждают чайный лист. Часто обжарку и скручивание осуществляют вручную, так как машинным способом не удается придать листу сферообразную форму, для чего необходимо свернуть чайный лист поперек главной жилы. При скручивании листа в вертикальных цилиндрах — роллерах он сворачивается в основном вдоль главной жилы. Для придания листу сферообразной формы без нарушения целостности необходимо свернуть его в обоих направлениях относительно центральной жилы. Поэтому можно сначала скрутить чайный лист в роллере, а затем без развертывания свернуть отдельные листья поперек главной жилы в комочки сферообразной формы. В последнее время для этого применяют барабанные формователи-сушилки дискретного действия, в которых, последовательно формируясь, масса высушивается до конечной 5%-ной остаточной технологической влажности.
Движение одной части скрученного чайного листа, находящейся в нижней
Ключевые слова:
барабанная сушилка, лопасти, скрученный чайный лист, сворачивание листа, сушка
области барабана, так называемого сегмента загрузки, определяется перекатом массы, исключая водопадный режим, другой же — падением с внутренних устройств — лопастей, которые выводят массу из слоя и последовательно наклоняют ее до скатывания и падения.
Передача теплоты частицам, находящимся в падении, происходит примерно в 70 раз эффективнее, чем в сегменте загрузки. Количество материала, ссыпающегося с лопастей за один оборот барабана, определяется
m,
: m n ,
где тл — масса материала, расположенного на лопасти в момент выхода ее из сегмента загрузки; пл — число лопастей. Конструкция лопастей должна обеспечить равномерную завесу падающих частиц [1]. Время пребывания материала в активной зоне, т.е. в струе при падении с лопаток, при прочих равных условиях пропорционально частоте вращения барабана. Чем чаще оказываются частицы в спадающем слое, тем интенсивнее тепломассообмен и равномерное распределение остаточной влажности в массе [2].
Экспериментально установлено, что при частоте вращения барабана, обеспечивающей водопадный режим перемещения массы в сегменте загрузки, отмечается развертывание листа, скрученного в роллере. При падении же с лопастей лист свертывается с торцевых сторон. Поэтому для предотвращения развертывания листа и его эффективного скатывания частота вращения
барабана должна обеспечить только режим переката массы в сегменте загрузки, при котором развертывание листа практически не происходит. Количество материала в завесе падающих частиц определяется размерами, конфигурацией и количеством лопастей. Если с целью интенсификации процесса принять количество подымаемого лопастями материала за один оборот барабана, равным общей массе влажного чайного листа, помещенного в барабан, то количество лопастей можно определить по начальной массе материала на одной лопасти при выходе ее из сегмента загрузки. Эта масса определяется реологическими и структурными свойствами скрученного чайного листа, количеством его в сегменте загрузки, особенностями взаимоперемещений частиц в слоях сегмента загрузки, характеристик лопасти.
Полное ссыпание материала с лопасти происходит при наклоне ее на угол трения массы о лопасть либо на угол естественного откоса материала. Угол трения скрученного чайного листа о сталь, определенный методом наклонной плоскости, составляет а ~ 38°, а определенный при помощи ящика с прозрачной стенкой угол естественного откоса — ф ~ 65°. В процессе формования и высушивания чайного листа эти углы уменьшаются до 30° и 45° соответственно.
Так как полное ссыпание материала с лопасти во время вращения барабана происходит при достижении ее наклона на угол трения а ~ 38°, то максимальная высота подьема и падения материала, определяемая как hn = | MP | = = R sin (а + р), может быть достигнута при установке лопасти под углом в = (90 - а) к радиальному направлению, где а — угол наклона лопасти к горизонту, а R — радиус внутренней поверхности барабана (см. рисунок). Величина угла естественного откоса по мере высушивания чайного листа приближается к значению а. Причем падение частиц происходит по параболическим траекториям, а при креплении лопасти к внутренней поверхности барабана под углом в = (90 - а) к радиальному направлению часть падающих частиц ударяется об оборотную сторону лопастей, что нарушает режим формования. Поэтому, если установить лопасть в точке крепления к внутренней поверхности барабана под углом трения в=38° к радиальному направлению, при вращении барабана чайная масса последовательно ссыпа-
3•2009
44
ется с лопасти в последние периоды сушки, а в начальные — относительно равномерно, без сводообразования влажного материала между внутренней поверхностью барабана и лопастью и нарушения режимов формования. При этом максимальная высота подъема материала определяется как h = = Rsin (2а). "
Определив толщину ссыпающегося слоя при максимально возможной 25 % степени заполнения барабана с радиусом 0,43 м, частоте вращения 15,5 мин-1, соответствующей условиям режима переката, расчетная высота границы раздела подымающегося и скатывающегося слоев материала составила (0,7...0,74) | NL| [3]. Эта величина определяет положение центра тяжести вращающейся массы, а перекат материала при вращении барабана осуществляется в верхней части сегмента по концентрическим окружностям относительно этого центра. | NL| = h — первоначальная высота сегмента загрузки, в данном случае h~ 0,255 м. Во время вращения барабана количество материала в сегменте загрузки будет несколько меньше первоначального, так как его часть будет выведена из слоя лопастями. Поэтому центр тяжести расположится несколько ниже. Величина проекции ширины лопасти на радиальное направление |NB| должна быть меньше высоты центра тяжести.
Центр тяжести неподвижного сегмента расположен на расстоянии 0,6hB. В общем случае можно принять величину | NB |< 0,6 | NL |, причем ширина лопасти b = | ND | = | NB | / cos в, также b < 0,6hB/cos в, чтобы не нарушался режим взаимоперемещений частиц скрученного чайного листа в сегменте загрузки. В противном случае при перекате массы наблюдается локальное вспучивание сдвигающегося слоя и развертывание скрученного вдоль центральной жилы чайного листа.
При влажности высушиваемого чайного листа менее 25-26 % его раскручивания не происходит, а формование осуществляется в основном за счет удара при падении с лопастей. Расстояние снизу до раздела движущихся слоев, или до центра тяжести, при этом составляет |NB|~ 0,128 м, т.е. проекция ширины лопасти на радиальное направление не должна превышать указанной величины, что в этом случае соответствует |NB|~ 0,5h или |NB|~ 0,51NL|«0,5R [1 - cos (a/2)], а b - 0,5R [1 - cos (a/2)] /cos в.
Ввиду того что степень заполнения барабана материалом составляет 25 %, выносимое лопастями в момент выхода из сегмента загрузки количество материала значительно меньше его общей массы, происходит незначительное вспучивание материала при вращении барабана в верхнем слое сегмента загрузки, и можно принять центральный угол загрузки a неизменным.
Из геометрических соображений (см. рисунок):
|BO|=0,5Ä [1 + cos (a/2)]; |OL|= R cos (a/2); |DB| = |D'B'| = 0,5R [1 - cos (a/2)] tg ß.
Обозначив
A = [1- cos (a/2)] 2 tg 2 ß + + [1 + cos (a/2)] 2,
получим
|OD| = |OD'| = 1/2R A;
|D'L|= R V1/4— - cos2(a/ 2);
Z KOL = a/2;
Z D'OL=arccos [2 cos (a/2)/V_];
ZKOD' = _
= a/2 - arccos [2 cos (a/2)/V—];
ZD'OB'= _ = arcsin [1 - cos (a/2) tg ß/V—];
ZKON= ZKOD'+ Z D'OB'.
Площадь поперечного сечения материала S^ расположенного на лопасти при выходе ее из сегмента загрузки, определяется как разность площади сектора KON ' и суммы площадей треугольников KOD' и D'ON':
S = S - (S + S )•
л KON' v KOD' D'ON' '
SKON, = nR (ZKON/360); SKOD, = 1/4 R2 V_sin (ZKOD');
SD, ON, = 1/4R 2 [1 - cos (a/2)] tg ß.
Масса материала на единицу длины барабана m = Sjj рн, где рн — насыпная плотность материала (для скрученного чайного листа рн = 340 кг / м3).
Исходя из данных предварительных условий, количество лопастей
K/ v4
D'
N' в' о Q
M D y\S \ а/2 1
ЧУ
N фХ/
T
Расчетная схема расположения материала в режиме переката
n = М /m .,
л с' л1'
где Мс — масса материала в сегменте загрузки на единицу длины барабана.
Мс = 1/2 R2 (па /180 - sin а) рн=Se рн,
где Se — площадь поперечного сечения сегмента загрузки.
К примеру, при коэффициенте загрузки 25 %, внутреннем диаметре барабана 0,86 м, расположении лопасти под углом р = 38° к радиальному направлению центральный угол а - 132°, h - 0,255 м, М - 49 кг,
нс
b- 0,16 м, S - 0,0135526 м2, h - 0,417 м,
' ' л ' ' п ' '
m , - 4,607884 кг, S - 0,1441819 м2,
л1 с
М /m , - 10,64, а n = 11 шт.
с л1 л
В конечные периоды сушки объем высушенного листа уменьшается в 2 раза, насыпная плотность составляет 270 кг/м3, а толщина слоя в сегменте загрузки — 0,16 м, что больше | NB | = = 0,128 м — проекции ширины лопасти на радиальное направление. Продолжительность формования — сушки при соответствующих для 100 кг скрученного чайного листа 2500...3000 м3 расходных и 90...95 °C температурных характеристиках подаваемого внутрь барабана воздуха составляет 1,8-2,0 ч. Продукция характеризуется сильно завитым видом, а выход сферообраз-но сформованных листков составляет 82-85 % от общей массы продукта.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гусев Ю.И., Карасев И. Н, Кольман-Иванов Э. Э. и др. Конструирование и расчет машин химических производств. — М.: Машиностроение,^.
2. Куцакова В. Е, Богатырев А Н. Интенсификация тепло- и массообмена при сушке пищевых продуктов. — М.: Агропромиздат, 1987.
3. Классен П.В., ГришаевИ.Г., Шомин И.П. Гранулирование. — М.: Химия, 1991. <S
3 • 2009
45
