水磨糯米粉干燥管的設計計算

(江西工業工程職業技術學院 江西 萍鄉 337000)

一、引言

水磨糯米粉是由粳糯稻加工制造而得,以柔軟、韌滑、香糯而著稱。它可以制作湯團、元宵、粽子、年糕等小吃。早期的糯米粉是由手工生產,在粉碎過程中,物料溫度升高,粉質易變性,細度一般低于65目,口感、色澤、營養等不夠理想[1]。而隨著二十一世紀人們生活水平的日益提高，人們要求的不僅是吃飽，而且要吃好，這就對我們水磨糯米粉的加工設計提出了更高的要求。運用水磨生產工藝,通過水洗、浸泡和水磨以后,淀粉酶水解淀粉,產生糊精,另外浸泡后淀粉膨脹、分裂,淀粉粒經過干燥,便會產生可逆的膨脹與分裂過程,使淀粉糊化,粘性增加[2]。由于采用水磨工藝料溫不會過高,不會產生熱變性,細度可調節,所以水磨粉比干磨粉更嫩滑、柔軟,粘性更好[3]。

二、水磨糯米粉加工流程設計簡介

整套水磨糯米粉加工工藝流程如圖2-1所示，干燥前方案如圖2-2，干燥過程方案如圖2-3。首先,將粳糯米經過機械輸送至水洗浸泡裝置,一定時間(約3～4h)后,緩慢輸送至儲料斗,儲料斗根據磨漿機工作速率設置轉速,將水磨糯米粉均勻送至磨漿機,經過水磨后的物料儲存在硬質鐵皮斗內,通過提升泵分別輸送至三臺板框壓濾機脫水;脫水后的物料成濾餅狀,落入統一儲料的方槽內,方槽中心開孔,下方接螺旋送料器進料口,工人將物料從中心孔扒落至送料器內;干燥氣體在鼓風機的作用下經過加熱器，加熱至160℃，然后就進入到了干燥器主體，也就是干燥管，與此同時，在加熱器與干燥器主體連接管上,插入漏斗形進料器，螺旋輸送機在輸送的過程中將濾餅裝的物料打散至45mm左右,卸料口均勻卸料至漏斗內，高速的氣體將物料沖至干燥器主體,吹上去，并在此同時將其干燥，干燥過后的氣體和物料經過旋風分離器和布袋除塵器分開,物料過篩稱量,氣體經過引風機排出。

圖2-1 水磨糯米粉加工工藝流程圖

1.提升機；2.水洗浸泡機；3.輸送機；4.水磨機；5.板框壓濾機；6.螺旋輸送器；7.提升泵；8.儲料斗；9.均勻送料器

圖2-2 干燥前方案

1.引風機；2.布袋除塵器；3.卸料器；4.星型卸料器；5.旋風分離器；6.干燥管；7.進料口；8.加熱器；9.螺旋輸送器；10.鼓風機

圖2-3 干燥過程方案

三、干燥管設計計算

干燥是將經過板框壓濾機脫水后，含水量在40%左右的固體干燥成含水12.5%左右的米粉的過程。人們通常把采用熱物理方式將熱量傳給含水的物料并將此熱量作為潛熱而將水分蒸發、分離操作的過程稱為干燥。傳統的干燥器主要有廂式干燥器、隧道干燥器、氣流干燥器等。其中，氣流干燥機熱空氣進入干燥器后快速沖擊物料并在瞬間與物料充分混合使物料流態化與空氣的接觸面積最大化從而迅速蒸發水份，氣固兩相經過除塵分離后得到產品。因此本設備選用氣流干燥器。脈沖式的氣流干燥器的特征是氣流干燥管的管徑交替縮小和擴大，采用脈沖式干燥管可以充分發揮甲酸段具有高的傳熱傳質的作用，以強化干燥過程[4]。加入的物料粒子首先進入管徑小的干燥管內，粒子的得到加速，當其加速運動終了時，干燥管管徑突然擴大，粒子依慣性進入管徑大的干燥管。粒子在運動過程中，由于受到阻力而不斷減速，直至減速終了時，干燥管又突然縮小，這樣粒子又被加速，如此重復交替地使管徑縮小和擴大，則粒子的運動速度也交替地加速和減速，空氣和粒子間的相對速度和傳熱面積均較大，從而強化了傳熱傳質的速率，同時，在管徑內氣流速下降也相應增加了干燥時間。氣流干燥機的干燥時間較短一般為1-4秒，產品在溫度還未升高之前已經離開了干燥器，所以適合熱敏性物料干燥[5]。因此，為了減少本設備所占空間面積，加速生產，選用脈沖式氣流干燥。

(一)已知的基本參數:

平均粒徑:dp=0.154mm

最大粒徑:dmax=0.5mm

處理量:G2=1000kg/h

物料含水量:ω1=40%

產品含水量:ω2=12%

熱風進口溫度:t1=160℃

空氣相對濕度:Ψ=20%(x1=0.002kg/kg)

絕干物料比熱容:Cm=1.26kJ/(kg·℃)

粒子的真實密度:ρm=1500kg/m3ρa=1.029kg/m3

物料溫度:tm1=20

環境溫度:t0=20

臨界含水率:Cc=0.0210kg/kg

(二)物料衡算和熱量衡算:

(3-1)

(3-2)

原物料量：G1=G2+W=(1000+467)kg/h=1467kg/h

(3-3)

(3-4)

(3-5)

選定出口氣體溫度t2=50℃,成品物料溫度tm2=40℃

由物料衡算式：Gs(c1-c2)=La(x2-x1)

(3-6)

得：La(x2-0.002)=880×(0.667-0.136)=467.28

(3-7)

由熱量衡算式：Lah1+Gs(cs+cwc1)tm1=Lah2+Gs(cs+cwc2)tm2

(3-8)

得t℃時,空氣熱焓

h=(1.01+1.93x)t+2491x=1.01t+(2491+1.93t)x

(3-9)

則：h1=1.01×160+0.002×(2491+1.93×160)=167kJ/kg

(3-10)

h2=1.01×50+(2491+1.93×50)x2=2587.5x2+50.2

(3-11)

(3-8)中cw為水的比熱容：cw=4.187kJ/(kgg℃)

則將其代入(3-8)可得：

La×167+880×(1.26+4.187×0.667)×20=La×(2587.5x2+50.2)+880×(1.26+4.187×0.136)×40

(3-12)

化簡得：116.8La+6932=2587.5Lax2

(3-13)

聯立(3-7)(3-13)可得La=10770kg/hx2=0.045kg/kg

(三)管徑的計算

1.按加速段氣流干燥管直徑計算

取入口氣速為30m/s,空氣溫度t1=160℃,空氣溫度x1=0.002kg/kg,查表得濕空氣的比體積為νa1=1.57m3/kg

則進口流量：Va1=La·va1=10770×1.57m3/h=16908.9m3/h

(3-14)

(3-15)

2.按等速段氣流干燥管直徑計算

(3-16)

其中：ξ-阻力系數；νa-氣體運動粘度；dp-顆粒平均粒徑；μt-顆粒沉降速度；ρm-顆粒真實密度；ρa-氣體的密度

在出口空氣條件(t2=50℃,x2=0.045kg/kg)下查空氣物理性質表得Va2=0.998m3/kg,ρa2=1.093kg/m3,νa2=19.6x10-6m2/s.

算出最大粒徑500μm粒子沉降速度為

(3-17)

(3-18)

出口氣速取(μt(500)+3),則μa2=(2.7+3)m/s=5.7m/s

(3-19)

3.氣流干燥管長度的計算

加速段直徑D1=0.45m,等速段直徑D2=0.8m

全管熱負荷:

Q=La(ca1t1-ca2t2)=10770×(1.026×160-1.017×50)=122034.7kJ/h

(3-20)

Ca1-進口空氣比熱容[kJ/(kg·℃)]

Ca2-出口空氣比熱容[kJ/(kg·℃)]

全管對數平均傳熱溫差:

(3-21)

低氣速時的管長:

平均溫度為105℃

查表得平均密度：ρap=0.934kg/m3

平均熱導率：λp=0.1125kJ/(m·h·℃)

平均運動粘度：vp=22.15×10-6m2/s

平均顆粒直徑取：dp=0.154mm

代入式(3-16)得

(3-22)

(3-23)

(3-24)

(3-25)

物料與空氣間的給熱系數:

(3-26)

于是設計干燥管如圖3-1

圖3-1 干燥管變速段分布

四、展望

本文為主針對生產能力為1000kg/h,產品粒度為80目的水磨糯米粉進行的分析計算。若針對小批量或更大批量的生產，其方案設計必然不同。此計算過程中的部分取值為理想化取值。望未來優化過程中，通過多次實驗，實地取值使計算結果更加精確。