Оптимізація параметрів підготовки та розподілення теплоносія сушильних дискових розпилювальних комплексів

Abstract

Метою дисертаційної роботи є розроблення та удосконалення конструкцій сушильних дискових розпилювальних комплексів шляхом теоретичного та експериментального дослідження параметрів роботи заданого технологічного регламенту, сформованого на результатах моделювання потоків CFD (моделювання обчислювальної гідродинаміки). У вступі обгрунтовано актуальність дисертаційної роботи, її значення у вирішенні науково-прикладної проблеми оптимізації параметрів підготовки та розподілення теплоносія сушильних дискових розпилювальних комплексів; сформульовано мету та основні завдання досліджень, обґрунтовано наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів. У першому розділі дисертації розглянуто класифікацію основних методів та процесів сушіння молочної сироватки. Сироватка є важливим побічним продуктом під час виробництва молочних продуктів, і її обробка та використання мають велике значення для ефективності виробництва і уникнення втрат. Аналіз вітчизняного та зарубіжного досвіду показує, що одним із найефективніших шляхів усунення втрат сироватки та максимального використання всіх її компонентів є її переробка на концентрати, що зберігаються тривалий час – сухі, концентровані, молочний цукор, замінник цільного молока. Це дозволяє підвищити ефективність використання сироватки і зменшити відходи. У дисертації також детально розглянуті основні теоретичні відомості про процеси розпилювання рідин, включаючи типи та конструкції розпилювальних пристроїв. Дисертаційна робота містить опис класифікації способів розпилювання рідин, що може бути корисним для вибору оптимального методу обробки сироватки. Далі, молочна сироватка розглядається як об’єкт промислової переробки та досліджень. Дослідження складу та фізико-хімічних властивостей молочної сироватки дозволяють зрозуміти її характеристики і оптимізувати процеси переробки. Також, важливим аспектом дослідження є теплофізичні властивості молочної сироватки, які мають велике значення при процесі сушіння та розпилювання. Одним із основних технічних обмежень та недоліків, які супроводжують розпилювальні сушильні комплекси, є обмежена інформація щодо аеродинамічних потоків, що виникають усередині камери цих комплексів. Недостатність літературних джерел, пов’язаних із вивченням подібних аеродинамічних явищ призводить до різних технологічних обмежень та недоліків у функціонуванні сушильних систем. Специфіка аеродинаміки всередині сушильної камери полягає у складних інтеракціях між газоподібним теплоносієм і твердими частинками сироватки. Ці процеси впливають на ефективність процесу сушіння та розпилення. Обмеженість технічних даних, щодо аеродинамічних потоків ускладнює процеси оптимізації параметрів сушильних комплексів, що може призвести до неоптимального використання енергії, зниження продуктивності і якості продукту. Невід’ємною частиною оптимізаційних досліджень - є визначення параметрів для забезпечення ефективності процесу сушіння сироватки. Тому, з метою забезпечення ефективної роботи, актуальною задачею є удосконалення конструкційних та експлуатаційних параметрів роботи сушильних дискових розпилювальних комплексів. У другому розділі дисертації представлена детальна методологія проведення досліджень з вивчення гідродинаміки сушарок з відцентрово-дисковим розпиленням. Дослідження включає в себе наступні етапи та аспекти: Методи проведення досліджень. В розділі надано опис методів, які використовувалися під час досліджень, включаючи вимірювання параметрів та інструментальні методи. Гідродинаміка сушарок з відцентрово-дисковим розпиленням - містить аналіз гідродинаміки внутрішніх камер сушильних установок з урахуванням специфіки відцентрово-дискового розпилення. Методи дослідження гідродинамічних потоків камер розпилюючих сушильних установок - описують методи, які були використані для аналізу гідродинамічних параметрів внутрішніх камер сушильних установок. Математичні моделі та методи імітаційного моделювання продукту, який подається в сушильний комплекс з сопел розпилювального диску - пояснюють розроблені математичні моделі для імітаційного моделювання процесу розпилення продукту. Основні рівняння, що описують рух частинки продукту в сушильному комплексі – обгрунтовують математичні моделі опису руху частинок продукту в процесі сушіння. Моделі турбулентності для розрахунку розпилювальних комплексів - містять дослідження моделі турбулентності, що застосовувалися для оцінки процесу розпилення в сушильних комплексах. Основні рівняння для різних моделей турбулентності – формуюють основні рівняння, які використовувалися для моделювання різних типів турбулентності. Оцінка впливу турбулентності на траєкторії руху частинок продукту в сушильному комплексі – описують результати аналізу впливів параметрів турбулентності на траєкторії руху частинок продукту під час сушіння. Методика дослідження температурних полів в активній зоні розпилювальної камери сформована на базових методах та інструментах, що застосовані для вимірювання температурних параметрів в активній зоні сушильного процесу. Методика визначення кінетичних та тепломасообмінних характеристик молочної сироватки - описує методи визначення важливих кінетичних та тепломасообмінних параметрів сироватки, що брали участь у процесі сушіння. Цей розділ надає повний огляд методів і підходів, які використовувалися під час досліджень, та розширює розуміння гідродинамічних та теплових процесів у сушильних установках з відцентрово-дисковим розпиленням продукту. У третьому розділі дисертації висвітлені деталі проведених досліджень з метою оптимізації процесу сушіння молочних продуктів в розпилювальній сушарці. За результатами експериментів, було встановлено, що оптимальна швидкість потоку теплоносія вздовж внутрішньої поверхні стінок корпусу розпилювальної сушарки знаходиться в діапазоні від 20 до 25 метрів на секунду. Ця вказує на те, що зміна швидкості потоку теплоносія може бути ключовим фактором для підвищення якості і продуктивності процесу сушіння молочних продуктів у сушильному комплексі. Дослідження також виявило, що температурні зміни у внутрішньому просторі сушильного комплексу мають значний вплив на рух частинок продукту та теплоносія. Особливо важливим є спостереження, що температура мала найбільше значення біля стінок, де відбувалося закручування потоку продукту та теплоносія. Це наголошує на важливості точного регулювання параметрів тиску і температурних полів у сушильному комплексі для оптимального контролю над процесом сушіння. Варто також відзначити, що дослідження не розглядали вплив зміни швидкості випаровування продукту в залежності від конструктивних змін параметрів подачі теплоносія у факел розпилу, розподілу частинок за розміром і швидкості розпилювального сушіння. Ця невизначеність вимагає подальших досліджень та детального аналізу і відкриває нові перспективи для наукового дослідження з метою визначення оптимальних параметрів процесу сушіння. Крім того, в дисертації розглядається вплив інших факторів на процес сушіння, таких як тип і склад молочного продукту, включаючи загальну кількість сухих речовин, в'язкість, густину, питому теплоємність, масову витрату та інші параметри. У подальших дослідженнях можуть бути розглянуті конкретні моделювання з молочною сироваткою, що дозволять визначити оптимальні умови роботи дискової розпилювальної сушарки та ввести необхідні налаштування для досягнення максимальної ефективності та якості сушіння. Четвертий розділ дисертаційної роботи присвячений запропоновано звузити переріз повітронаправляючого пристрою, що сприятиме збільшенню швидкості теплоносія та покращенню ефективності сушіння частинок молочного продукту. Дослідження з використанням реальної моделі показало, що звужена частина повітро-розподілюючого пристрою дійсно має позитивний вплив на ефективність сушіння. Це підтверджує важливість оптимізації цього пристрою для досягнення кращих результатів. Виявлено, що швидкість повітряного потоку в різних частинах сушарки різняться, і ця інформація може бути використана для оптимізації процесу та зниження витрат енергії. Звужена частина пристрою подачі теплоносія дискової розпилювальної сушарки виявила додатковий позитивний вплив на швидкість потоку теплоносія. Важливо відзначити, що при малих діаметрах конусної частини спостерігається вплив повітряного потоку на факел розпилення та налипання недосушених частинок продукту на кришку камери. Чисельне моделювання показало, що оптимальною швидкістю подачі теплоносія є значення 50 м/с. Це може служити важливим практичним рекомендаціям для налаштування обладнання. Також важливим результатом було виявлення зміни тиску в різних частинах сушарки. На основі досліджень з'ясовано залежність між швидкістю подачі теплоносія та кутом розпилу факела.. Встановлено, що найвищі значення швидкості потоку визначаються під розпилювальним диском, де швидкість потоку досягає показників до 40 м/сек. Експериментально визначено, що при куті регулювання жалюзійного розподілення 45 градусів спостерігається підвищення кута розпилення факела. У п’ятому розділі дисертаційної роботи було проведено чисельні дослідження з використанням пакету CFD FLUENT для детального аналізу процесу розпилювального сушіння. Основні результати цього дослідження включають: Вибір методології: Для моделювання процесу розпилювального сушіння була обрана програма CFD FLUENT, яка є потужним інструментом для чисельного аналізу процесів обміну маси та тепла в складних системах. Використання молочної сироватки: В експерименті використовувалася молочна сироватка як параметр для розпилювального сушіння. Це є важливим аспектом дослідження, оскільки визначає основні умови та параметри процесу. Валідація моделі: Для перевірки точності чисельних результатів були виміряні температури в різних точках всередині башні розпилювальної сушарки. Було досягнуто добру узгодженість між експериментальними та чисельними даними з максимальною відносною похибкою 4,6%. Встановлено, що під час первинних експериментів у "спокійних" умовах, коли швидкість подачі теплоносія не перевищує 10 м/с і протікає конвективний потік повітря на вході, ефективно використовується перехідна модель CFD k-omega (2 eqn). Аналіз температурних та вологісних режимів: Результати чисельних досліджень вказують на те, що центральна область сушильного комплексу мала більші температури та низький вміст водяної пари, в той час як інші області залишалися стабільними за температурними та вологісними показниками. Швидкість газу та обертання розпилювача: Швидкість газу була найвищою в центральній області та зменшувалася в радіальному напрямку до стінки. Виявлено, що обертання розпилювача сприяє стабілізації поля потоку, особливо при моделюванні центрального вхідного струменя повітря. Вплив параметрів подачі теплоносія: При значенні швидкості подачі продукту 120 м/с спостерігаються найвищі температурні значення біля стінки в групі А на висоті 3200 мм від башні. Дослідження вказують на те, що параметр швидкості подачі теплоносія має суттєвий вплив на температурні та масові переноси всередині сушильного комплексу. Встановлено, що здійснені дослідження, пов'язані зі зміною параметра подачі вхідного теплоносія в сушильний комплекс за умови температури 180°C та прогнозованої залишкової вологості висушеного продукту на рівні 0,41%. При певних значеннях швидкості подачі відзначаються найвищі температурні значення в певних областях. Заключення та перспективи: Результати цього дослідження свідчать про важливість урахування різних параметрів у процесі розпилювального сушіння. Розроблений метод моделювання може бути корисним для подальшого розвитку та вдосконалення індустріальних розпилювальних сушарок, забезпечуючи більш точну та ефективну роботу цих пристроїв. Загальні висновки по роботі сформовані на підставі здійснених досліджень. У додатках наведено документи, що підтверджують впровадження результатів досліджень, опис результатів експериментальних досліджень, додаткову інформацію по програмному забезпеченню чисельного моделювання. Практичнезначеннярезультатівдисертаційноїроботи: Результати проведених теоретичних та експериментальних досліджень реалізовані за такими напрямками: математичні залежності, отримані в результаті аналітичних та експериментальних досліджень, пропонуються для розрахунку конструктивних параметрів подачі теплоносія в корінь факелу розпилу, розрахунку частинок продукту в дискових розпилювальних комплексах; Результати комплексних наукових досліджень стали науковою основою на ТОВ «КАМОЦЦІ», під час розроблення прототипу розпилювального комплексу молочних продуктів (акт від 31.10.2022 р.) Прогнозований економічний ефект від впровадження результатів наукових досліджень складає 542 240 грн ; Результати виконаних наукових досліджень по проектуванню введення теплоносія через чотири тангенційні патрубки згідно патенту на корисну модель № 139272 впроваджені на ТОВ «ТАН». (акт від 10.10.2022р.) Прогнозований економічний ефект від впровадження результатів наукових досліджень складає 140 900 в рік. Розроблено та запропоновано впровадження у виробництво конструкції газорозподільного пристрою, встановленого до розпилювального сушильного комплексу, а саме в його звужену частину перед розпилювальним диском на ДП "СТАРОКОСТЯНТИНІВСЬКИЙ МОЛОЧНИЙ ЗАВОД" в м. Старокостянтинів, Хмельницького району Хмельницької області. (акт від 24.04.2023р.) Прогнозований економічний ефект від впровадження результатів наукових досліджень складає 240 000 в рік. Теоретичні узагальнення, комп’ютерне моделювання і аналітичні розрахунки стали науковою основою для практичних рекомендацій по удосконаленню розпилювальних сушильних комплексів. За результатами дисертаційної роботи отримано: ▪патент на корисну модель № 148755 «Дискова розпилювальна сушарка з жалюзійним розподіленням теплоносія»; ▪патент на корисну модель № 139272 «Дискова розпилювальна сушарка»; ▪розрахований економічний ефект від впровадження наукових досліджень складає 923 140 грн на рік. The purpose of the dissertation is to develop and improve the design of drying disk spraying complexes by theoretical and experimental study of the parameters of a given technological regulation, formed on the basis of the results of CFD flow modeling (computational fluid dynamics modeling). The introduction substantiates the relevance of the dissertation, its importance in solving the scientific and applied problem of optimizing the parameters of preparation and distribution of coolant for drying disk spraying complexes; formulates the purpose and main objectives of the research, substantiates the scientific novelty and practical value of the results obtained. The first chapter of the thesis discusses the classification of the main methods and processes of whey drying. Whey is an important by-product in the production of dairy products, and its processing and utilization are of great importance for production efficiency and avoidance of losses. An analysis of domestic and foreign experience shows that one of the most effective ways to eliminate whey losses and maximize the use of all its components is to process it into long-life concentrates - dry, concentrated, milk sugar, whole milk replacer. This helps to increase the efficiency of whey use and reduce waste. The thesis also describes in detail the basic theoretical information on the processes of liquid spraying, including the types and designs of spraying devices. The thesis contains a description of the classification of liquid atomization methods, which can be useful for choosing the optimal whey processing method. Further, whey is considered as an object of industrial processing and research. Studies of the composition and physicochemical properties of whey allow us to understand its characteristics and optimize processing processes. Also, an important aspect of the study is the thermal properties of whey, which are of great importance in the process of drying and spraying. One of the main technical limitations and drawbacks of spray drying systems is the limited information on aerodynamic flows occurring inside the chamber of these systems. The lack of literature related to the study of such aerodynamic phenomena leads to various technological limitations and shortcomings in the operation of drying systems. The specificity of aerodynamics inside the drying chamber is in the complex interactions between the gaseous coolant and whey solids. These processes affect the efficiency of the drying and spraying process. The limited technical data on aerodynamic flows complicates the process of optimizing the parameters of drying complexes, which can lead to suboptimal energy use, reduced productivity and product quality. An integral part of optimization studies is the determination of parameters to ensure the efficiency of the whey drying process. Therefore, in order to ensure efficient operation, an urgent task is to improve the design and operational parameters of drying disk spraying complexes. The second chapter of the thesis presents a detailed methodology for conducting research on the hydrodynamics of centrifugal disk spray dryers. The study includes the following stages and aspects: Research methods. This section describes the methods used in the research, including parameter measurements and instrumental methods. Hydrodynamics of dryers with centrifugal disk spraying - contains an analysis of the hydrodynamics of the internal chambers of drying plants, taking into account the specifics of centrifugal disk spraying. Methods for studying hydrodynamic flows in spray drying chambers - describes the methods used to analyze the hydrodynamic parameters of the internal chambers of drying plants. Mathematical Models and Methods of Simulation Modeling of the Product Supplied to the Drying Complex from the Nozzles of the Spray Disk - explains the developed mathematical models for simulation modeling of the product spraying process. Basic equations describing the movement of product particles in the drying complex - substantiate the mathematical models for describing the movement of product particles during the drying process. Turbulence models for the calculation of spraying complexes - contains a study of the turbulence model used to evaluate the spraying process in drying complexes. Basic equations for different turbulence models - formulates the basic equations used to model different types of turbulence. Evaluation of the impact of turbulence on the trajectories of product particles in a drying complex - describes the results of the analysis of the effects of turbulence parameters on the trajectories of product particles during drying. The methodology for studying temperature fields in the core of the spray chamber is based on the basic methods and tools used to measure temperature parameters in the core of the drying process. Methods for determining the kinetic and heat and mass transfer characteristics of whey - describes methods for determining important kinetic and heat and mass transfer parameters of whey involved in the drying process. This section provides a complete overview of the methods and approaches used in the research and expands the understanding of hydrodynamic and thermal processes in centrifugal-disk drying plants. The third chapter of the thesis highlights the details of the research conducted to optimize the process of drying dairy products in a spray dryer. According to the results of the experiments, it was found that the optimal flow rate of the coolant along the inner surface of the walls of the spray dryer body is in the range of 20 to 25 meters per second. This indicates that changing the coolant flow rate can be a key factor in improving the quality and productivity of the dairy drying process in a drying complex. The study also revealed that temperature changes in the internal space of the drying complex have a significant impact on the movement of product and coolant particles. Particularly important is the observation that the temperature had the highest value near the walls, where the product and coolant flow was swirling. This emphasizes the importance of precise control of the pressure and temperature fields in the drying complex for optimal control over the drying process. It is also worth noting that the study did not consider the impact of changes in the evaporation rate of the product depending on design changes in the parameters of the coolant supply to the spray plume, particle size distribution and spray drying speed. This uncertainty requires further research and detailed analysis and opens up new prospects for scientific research to determine the optimal parameters of the drying process. In addition, this thesis considers the influence of other factors on the drying process, such as the type and composition of the dairy product, including total solids, viscosity, density, specific heat, mass flow rate, and other parameters. Further research may consider specific simulations with whey to determine the optimal operating conditions for a disc spray dryer and make the necessary adjustments to maximize drying efficiency and quality. The fourth chapter of the thesis is devoted to the proposed narrowing of the cross-section of the air distributor, which will increase the coolant velocity and improve the efficiency of drying dairy product particles. A study using a real-world model has shown that the narrowed part of the air distribution device does have a positive effect on drying efficiency. This confirms the importance of optimizing this device to achieve better results. It was found that the air flow rates in different parts of the dryer vary, and this information can be used to optimize the process and reduce energy consumption. The narrowed part of the coolant supply device of the disc spray dryer had an additional positive effect on the coolant flow rate. It is important to note that at small diameters of the cone part, the air flow affects the spray plume and the adhesion of undried product particles to the chamber lid. Numerical modeling has shown that the optimal coolant flow rate is 50 m/s. This can serve as an important practical recommendation for equipment setup. Another important result was the detection of pressure changes in different parts of the dryer. Based on the research, the dependence between the coolant flow rate and the angle of the flame spray was determined. It was found that the highest values of the flow rate are determined under the spray disk, where the flow rate reaches up to 40 m/s. It has been experimentally determined that at an adjustment angle of 45 degrees of the louvered distribution, an increase in the spray angle of the flame is observed. In the fifth chapter of the thesis, numerical studies were conducted using the CFD FLUENT package to analyze the spray drying process in detail. The main results of this study include: Methodology selection: The CFD FLUENT program was chosen to model the spray drying process, as it is a powerful tool for numerical analysis of mass and heat transfer processes in complex systems. The use of whey: The experiment used whey as a parameter for spray drying. This is an important aspect of the study as it determines the basic conditions and parameters of the process. Model validation: To verify the accuracy of the numerical results, temperatures were measured at different points inside the spray dryer tower. Good agreement was achieved between the experimental and numerical data with a maximum relative error of 4.6%. It was found that during the initial experiments under "calm" conditions, when the coolant flow rate does not exceed 10 m/s and there is a convective air flow at the inlet, the k-omega CFD transient model (2 eqn) is effectively used. Analysis of temperature and humidity conditions: The results of the numerical studies indicate that the central area of the drying complex had higher temperatures and low water vapor content, while other areas remained stable in terms of temperature and humidity. Gas velocity and spray nozzle rotation: The gas velocity was highest in the central region and decreased radially toward the wall. It was found that nozzle rotation helped to stabilize the flow field, especially when modeling the central inlet air jet. Influence of coolant supply parameters: At a product feed rate of 120 m/s, the highest temperature values near the wall in Group A are observed at a height of 3200 mm from the tower. The studies indicate that the coolant feed rate parameter has a significant impact on temperature and mass transfer within the drying complex. It has been established that the studies related to changing the parameter of the input coolant supply to the drying complex at a temperature of 180°C and the predicted residual moisture content of the dried product at 0.41%. At certain values of the feed rate, the highest temperature values are observed in certain areas. Conclusions and Prospects: The results of this study demonstrate the importance of considering various parameters in the spray drying process. The developed modeling method can be useful for the further development and improvement of industrial spray dryers, providing more accurate and efficient operation of these devices. The general conclusions of the paper are based on the research conducted. The appendices contain documents confirming the implementation of the research results, a description of the results of experimental studies, and additional information on numerical modeling software. Practical significance of the results of the dissertation: The results of the theoretical and experimental studies have been implemented in the following areas: - mathematical dependencies obtained as a result of analytical and experimental studies are proposed for calculating the design parameters of coolant supply to the root of the spray plume, calculating product particles in disk spraying complexes; - The results of comprehensive scientific research became the scientific basis for the development of a prototype spraying complex for dairy products at Kamotsi LLC (act of 31.10.2022). The projected economic effect from the implementation of the results of scientific research is UAH 542,240; - The results of scientific research on the design of coolant injection through four tangential nozzles according to utility model patent No. 139272 have been implemented at TAN LLC (act of 10.10.2022). The projected economic effect of the implementation of the results of scientific research is 140,900 per year. - The design of a gas distribution device installed in a spray drying complex, namely in its narrowed part in front of the spray disk, was developed and proposed for implementation in production at the State Enterprise "Starokostiantynivsky Dairy Plant" in Starokostiantyniv, Khmelnytsky district, Khmelnytsky region (act of 24.04.2023). The projected economic effect from the implementation of the results of scientific research is 240,000 per year. Theoretical generalizations, computer modeling and analytical calculations have become the scientific basis for practical recommendations for improving spray drying complexes. Based on the results of the dissertation work, the following were obtained: • patent for utility model No. 148755 "Disk spray dryer with louvered distribution of coolant"; • patent for utility model No. 139272 "Disk spray dryer"; • The calculated economic effect from the implementation of scientific research is UAH 923,140 per year.