Заврин В.Г. Тепломассообменное оборудование предприятий

Подождите немного. Документ загружается.

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

,100

(15.9)

где N – скорость сушки, % /ч;

– плотность сухого материала, кг/м

;

F и V – площадь поверхности (м

) и объем (м

) сушильного материала.

По интенсивности испарения с поверхности влажного материала опре-

деляют продолжительность постоянной скорости сушки, ч:

(

100

)

)(

крн

крн1

Vρ

−

=−=

(15.10)

где W

и W

кр

– начальная и критическая влажности материала, %.

При жестких режимах сушки, когда интенсивность испарения достаточ-

но велика, средняя температура материала в период постоянной скорости

сушки непрерывно растет. Это происходит потому, что подвод влаги из

внутренних слоев к поверхности материала меньше, чем возможности отвода

в окружающую среду, вследствие чего происходит углубление зоны испаре-

ния жидкости. Вер

хние слои обезвоживаются, и их температура непрерывно

повышается.

Период постоянной скорости сушки продолжается до влагосодержания W

кр

(рис. 19, 20). Начиная с этого момента времени (участок bc), температура ма-

териала непрерывно повышается до температуры окружающего воздуха t

а скорость сушки непрерывно убывает от максимального значения N до нуля.

Рис. 20. Типичные к

ивые ско

ости с

шки

%/ч

τd

2 – 1– – 3

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

Это период падающей скорости сушки. Скорость сушки равна нулю по-

сле достижения материалом равновесного влагосодержания W

. При испаре-

нии влаги из материала существует одновременно два потока молекул воды –

один направлен от поверхности материала в окружающую среду (собственно

испарение), другой – из окружающей среды к поверхности материала (кон-

денсация). Пока процесс испарения превалирует над процессом конденсации,

происходит убыль влаги из материала. Равновесное влагосодержание соот-

ветствует состоянию, когда оба потока равны и количест

во влаги в материале

остается постоянным.

Характер изменения скорости сушки в периоде падающей скорости зави-

сит от формы связи влаги с материалом. Построив зависимость dW/dτ = f(W) по

кривым сушки для различных материалов можно получить несколько типов

изменения скорости сушки в этом периоде.

При чтении графиков (см. ри

с. 19, 20) необходимо учитывать, что про-

цесс сушки начинается с W

, т. е. в правой части рисунка. В начале процесса

сушки скорость сушки увеличивается, достигает своего максимального значе-

ния N, и при снижении влагосодержания ниже критического W

кр

, уменьшает-

ся в соответствии с видом материала. При достижении материалом равновес-

ного влагосодержания W

скорость сушки вновь становится равной нулю.

Коэффициенты внутреннего переноса теплоты и массы, зависящие от

влагосодержания и температуры в этом периоде сильно изменяются, поэтому

аналитическое определение времени сушки во втором периоде затруднено.

А. В. Лыковым предложен упрощенный метод расчета второго периода суш-

ки. Действительная кривая скорости сушки в периоде падающей скорости

заменяется прямой, проведенной из точки W

до пересечения с прямой

N = const, так, чтобы погрешность при этом была наименьшей.

На рис. 21 показана замена действительной кривой сушки трех различ-

ных материалов. В результате такой замены критическая точка в зависимости

от характера кривой скорости сушки смещается вправо или влево, при этом

влагосодержание, получаемое на пересечении проведенной прямой с прямой,

характеризующей постоянную скорость сушки в первом периоде, называется

приведенным критическим влагосодержанием W

кп

Тогда аналитическое выражение для скорости сушки во втором периоде

для произвольного момента времени

(

WWk

−=−

(15.11)

где

– коэффициент сушки, зависящий от режима сушки, ч

-1

pкп

χ=

−

, (15.12)

где k – относительный коэффициент сушки, который зависит от свойств ма-

териала и его начальной влажности.

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

Рис. 21. Кривые кинетики сушки (а), построение обобщенноой кривой сушки (б),

определение критического влагосодержания (в)

Для ряда влажных материалов, относительный коэффициент сушки k

обратно пропорционален начальному влагосодержанию

=1,8/W

н,

тогда

1,8

τ W

−

=−

. (15.13)

После интегрирования в пределах от W

кп

до конечного влагосодержания W

получим продолжительность второго периода сушки, ч:

1,28

pк

кп

lgτ

−

(15.14)

Общая продолжительность процесса сушки (ч), определяется суммиро-

ванием времени сушки в периодах постоянной и падающей скорости;

КП

КР

> W

КП

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

()

(

)

[]

рккпн

χg1,28τττ

н21

WWWWW

−−−=+=

(15.15)

При определении плотности теплового потока к материалу, Вт/м

, в пе-

риоде падающей скорости учитывают теплоту, расходуемую не только на

испарение влаги, но на нагрев всего тела:

3600

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

(15.16)

где с – удельная теплоемкость влажного тела, Дж/кг⋅К;

dt/dτ – изменение температуры тела за бесконечно малый промежуток

времени, К/ч.

Первый член правой части уравнения соответствует количеству тепло-

ты, пошедшей на нагрев тела, второй – на испарение влаги. Уравнение можно

представить в виде:

3600

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

(15.17)

Величина dt/dW показывает, насколько повышается средняя температура

тела при изменении его влагосодержания на единицу. Число Ребиндера

Rb = cdt/rdW показывает соотношение количества теплоты, затраченной на на-

гревание тела и на испарение влаги за бесконечно малый промежуток времени.

Полуэмпирический метод В. В. Красникова позволяет рассчитывать

продолжительность сушки в любом из периодов сушки. Дл

я этого необходи-

ма хотя бы одна кривая сушки. При расчете τ исходят из того, что независи-

мо от режимных параметров сушки (температуры, скорости, относительной

влажности сушильного агента) произведение скорости сушки N на продол-

жительность сушки τ от W

до любого текущего влагосодержания W остается

постоянным, т. е. Nτ = const. Семейство кривых в системе координат W – W

Nτ с достаточной для инженерных расчетов точностью на всем протяжении

можнт быть описано одной кривой – обобщенной кривой сушки.

Имея обобщенную кривую сушки для заданных условий, находят значе-

ния (Nτ)

Wн

и (Nτ)

Wк

, соответствующие начальному W

и конечному W

со-

стоянию материала.

Для того чтобы рассчитать продолжительность сушки по уравнениям

(15.14) и (15.15), определяют действительную скорость сушки N

, тогда

ττ

нк

)()(

−

(15.18)

Для оценки перспективности способа сушки влажные материалы делят

на шесть основных групп:

I – истинные и коллоидные растворы, эмульсии и суспензии;

II – пастообразные материалы, не перекачиваемые насосом;

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

III – пылевидные, зернистые и кусковые материалы, обладающие сыпу-

честью во влажном состоянии;

IV – тонкие гибкие материалы (ткани, пленка, бумага);

V – штучные массивные по объему материалы и изделия (керамика,

штучные стройматериалы, изделия из древесины);

VI – изделия, подвергающиеся сушке после грунтования, окраски,

склеивания.

Для материалов I-ой группы рекомендуются сушилки распылительные

и комбинированные. Для материалов II-ой груп

пы – вальцовые и вальцелен-

точные сушилки, III-ей группы – шахтные, барабанные, трубчатые, трубы-

сушилки, аэрофонтанные и кипящего слоя, IV-ой группы – терморадиацион-

ные и в жидких средах.

15.6. Распылительные сушилки

Широко распространены в пищевой, химической, строительной про-

мышленности, где из растворов получают порошок различной дисперсности.

Раствор с высокой начальной влажностью подается к форсункам или вра-

щающимся дискам, благодаря которым происходит дисперсирование раство-

ров – распыл на мелкие частицы (рис. 22).

Рис. 22. Схемы форсуночных (а – в) и дисковых (г – е)

распылительных сушильных камер

Значительное увеличение поверхности раствора способствует ускоре-

нию передачи теплоты от газообразного теплоносителя (воздуха, перегретого

пара, инертных газов), поступающего в сушильную камеру, к каплям раство-

ра. В распылительных сушилках возможно осуществление прямотока и про-

тивотока при движении высушиваемого материала и сушильного агента.

)

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

Технико-экономические показатели работы распылительных сушилок

сильно зависят от работы распылителя, качества распыления, дисперсности

и однородности капель, энергозатрат на распыление, надежности работы

и простоты обслуживания.

В технике распылительной сушки наиболее распространены центробеж-

ные механические форсунки, пневматические форсунки и центробежные

дисковые распылители.

При оценке размеров распылительной сушилки можно использовать поня-

тие напр

яженности объема распылительной сушилки по испаренной влаге А,

т. е. количество испаренной влаги в 1 м

камеры в ч в зависимости от средней

температуры теплоносителя (t

+ t

)/2 и температуры материала t

, равной

температуре мокрого термометра. Зависимость А, кг/м

час, от температурного

напора

Δ t

t −

и способа распыления (с дисковым распылением (D)

и форсуночным распылением (Ф):

Δ t

100 150 200 250 300 400

5 6

8 8

11 12

15 14

18 19

Ф 5

7 10

13 15

18 19

25 – –

Объем камеры определяют из выражения

= W/А, (15.19)

где W – количество испаренной влаги, кг/ч;

А – производительность единицы объема камеры по испаряемой влаге,

кг/(м

⋅ч).

По объему камеры определяют типоразмер сушильной камеры и ее диа-

метр.

Активная высота камеры, м

),/(π4

кк

DVH =

(15.20)

где D

– диаметр камеры, м.

Диаметр сушильной камеры выбирается в зависимости от вида исполь-

зуемого распылителя так, чтобы во всех случаях факел распыла не касался

стенок камеры, что предотвращает налипание на них продукта.

Рекомендуемые соотношения высоты сушильной камеры и ее диаметра при

распылении форсунками лежит в пределах Н

= 1,5

2,5. Меньшие отноше-

ния берутся при большой производительности и сушке растворов с низкой на-

чальной влажностью. Для камер с дисковым распылением Н

= 0,75

Пример. Производительность по готовому продукту распылительной

сушилки, в которой в качестве сушильного агента используется воздух,

= 0,1 кг/c. Начальная влажность раствора и конечная влажность готового

продукта в расчете на сухую массу W

= 160 %, W

= 5 %. Начальные и ко-

нечные параметры сушильного агента t

= 300 ˚С; d

= 10 г/кг сухого воздуха;

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

= 100 ˚С. Начальная и конечная температуры материала t

м1

= 20 ˚С; t

м2

= 50 ˚С.

Определить требуемое количество сушильного агента L, его конечное влаго-

содержание d

, и конструктивные размеры сушильной камеры. Теплоемкость

сухого материала С

сух

= 1,25 кДж/(кг·град).

Решение. Количество испаренной влаги

.,,

GW кг/с1480

5100

5160

100

−

В распылительной сушилке переданная от нагретого газа теплота расходу-

ется на испарение влаги Q

, на нагрев высушенного материала Q

и на потери

в окружающую среду Q

, поэтому тепловой баланс можно записать так:

- t

) = Q

, (15.21)

где С

– теплоемкость воздуха, равная 1,005 кДж/(кг·ºС).

Расход теплоты на испарение влаги с учетом затрат на перегрев образо-

вавшихся паров до температуры уходящего сушильного агента

= W(2493+1,97 t

–4,19 t

м1

) = 0,148 (2493+1,97⋅100–1,19⋅20) = 385,7 кВт.

Расход теплоты на нагрев материала

= G

м2

–t

м1

) = 0,1⋅1,4(50–20) = 4,2 кВт,

где С

– удельная теплоемкость продукта

()

СкгкДж1,4

100

4,19

100

5100

1,25

100100

100

вл

сухм

°⋅=+

−

= C

СC

Удельные потери теплоты в окружающую среду q

приближенно при-

нимают 150

250 кДж/кг влаги. При q

= 200 кДж/кг влаги потери теплоты

в окружающую среду

= q

⋅W = 200⋅0,148 = 29,6 кВт.

Тогда из уравнений теплового и материального балансов получаем

кг/с;2,36

100)(3001,005

29,64,62385,7

)(

5ми

−

ttC

QQQ

г/кг72,510

2,36

0,1481000

1000

⋅

=+= d

сухого воздуха.

В действительной сушилке имеют место потери теплоты на нагрев мате-

риала, транспортных устройств в окружающую среду, некоторое количество

теплоты вносится с влагой материала и возможен дополнительный подогрев

воздуха в самой сушилке.

Тепловой баланс сушилки на 1 кг испаренной влаги

мвл

трp

тртр

см

0201

112

)t(t

СG

)H(H

)H(HL

−−+−+

+−

⋅

+−=−

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

или

.qtCqqq)H(H)H(H

вл5трм0201

−−+++−=− ll

– удельный расход воздуха, кг/кг испаренной влаги.

Если в сушилку поступает материал с частично

замерзшей влагой, то в уравнении нужно учесть те-

плоту на подогрев льда до 0 ˚С и превращение его

в воду при 0 ˚С.

В теоретической сушилке отсутствуют потери

теплоты на нагрев материала, транспортных устройств

в окружающую среду, дополнительное тепловы

деле-

ние, а температура входящего в нее материала равна

нулю. Для такой сушилки

),()(

0201

HHHH −=

−

т. е. Н

= Н

= const. В теоретической сушилке процесс

сушки происходит адиабатно при постоянной энталь-

пии воздуха. Испарение влаги из материала за счет

снижения температуры воздуха приводит к росту вла-

госодержания. Поэтому энтальпия не изменяется

(рис. 23).

Удельный расход сухого воздуха на 1 кг испаренной влаги в теоретиче-

ской сушилке

1000

ddW

−

==l

кг/кг.

Удельный расход теплоты на испарение 1 кг влаги в теоретической су-

шилке

).()/(

0101

HHWHHL

q −=−== l

(15.22)

В действительной сушилке

l)(

мвлд5трм12

tСqqqqHH

−

Обозначим

)()(

5трммвлд

qqqtСq

+−+

через

, тогда Н

=Н

В зависимости от соотношения потерь теплоты q

+ q

тр

+ q

и дополни-

тельного ее подвода q

+ С

вл

⋅ t

м1

в действительной сушилке возможны три

случая: 1)

=0, 2)

>0, 3)

<0; в соответствии с этим линии, изображаю-

щие в H,d-диаграмме процесс сушки в действительной сушилке, могут про-

ходить по линии Н

= const (

= 0). Выше этой линии (

> 0) и ниже ее (

< 0).

Для построения действительного процесса сушки в H,d-диаграмме бывают

заданы параметры теплоносителя (температура) на входе и выходе.

Тогда, используя выражения

)(1000

−==l

+= HH

определяют Н

– энтальпию теплоносителя на выходе из сушилки для случая,

когда конечное влагосодержание его соответствует d

в теоретическом про-

цессе

1000

)(Δ

−

. Для этого соединяют точку С

, определяемую

координатами

H и d

, с точкой В.

Рис. 23. Изменение

параметров сушильного

агента в действительной

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

Пусть точки С

и С

, лежащие на изотерме t

, соответствуют окончанию

процесса сушки в сушилке при

> 0,

< 0 и

= 0. Тогда

, dd

и d

– со-

ответственно влагосодержание воздуха на выходе из сушилки.

Для этих процессов удельный расход воздуха на 1 кг испаренной влаги

будет различен: для действительного процесса сушки при

>0 меньше,

а при

< 0 больше, чем расход воздуха в теоретической сушилке при

= 0,

поскольку

.dddddd

020202

−

′

−

′′

Для теоретической сушилки расход теплоты на 1 кг испаренной влаги (рис. 24)

1000.)(

HHq

−

=−= l

Рис. 24. Схема сушильной установки с рециркуляцией сушильного агента (а)

и изображение изменения его параметров в H,d-диаграмме (б):

А – холодный воздух перед сушилкой; М – смесь холодного и рециркулируемого воздуха;

– сушильный агент после калорифера; С

, С

– отработавший сушильный агент; 1 – су-

шилка; 2 – сушимый материал; 3 – калорифер; 4 – вентилятор

Когда тепловые потери преобладают над тепловыми выделениями, т. е.

< 0, удельный расход теплоты больше, чем в теоретической сушилке, т. к.

dd −

′′

dd −

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

15.7. Методика расчета барабанной сушильной установки

1. Излагается на основе кинетических закономерностей массо- и тепло-

обмена для материалов, с которыми влага связана механическими силами.

Процесс в этом случае протекает в первом периоде сушки при постоянной

температуре влажного материала, равной температуре мокрого термометра,

а скорость сушки определяется внешней диффузией.

2. Требуется рассчитать барабанную сушилку с подъемно-лопастными пе-

ревалочными устройствами. Производительность сушилки по в

ысушенному

материалу G

, кг/с. Содержание фракций частиц в материале диаметром от 1,5

до 1 мм = 70 %. Температура влажного материала

; топливо – природный газ,

температура газов на входе в барабан t

см

, на выходе из барабана, удельные по-

тери теплоты в окружающую среду на 1 кг испаренной влаги q

(кДж/кг); пара-

метры свежего воздуха: температура t

, относительная влажность

; давле-

ние в сушилке атмосферное.

3. В качестве топлива используется газ следующего состава (в % объем-

ных) СН

, С

, СО

, N

4. Теоретическое количество сухого воздуха L

, затрачиваемое на сжи-

гание 1 кг топлива,

()

.12/HС

ΣH0,24CO0,0179138

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+++= nm

5. Количество теплоты Q

, выделяющейся при сжигании 1 м

газа,

= 357,41СН

+637,97С

+913,21С

+1187,36С

+1460С

, кДж/м

6. Плотность газообразного топлива

.кг/м,

22,4

CO4428HСΣ

т0

022

TNM

inm

7. Количество теплоты, выделяющейя при сжигании 1 кг топлива,

Q = Q

/ρ

, кДж/кг.

8. Масса сухого газа, подаваемого в сушильный барабан, в расчете на

1кг сжигаемого топлива, определяется общим коэффициентом избытка воз-

духа α, необходимого для сжигания топлива и разбавления топочных газов

до температуры смеси t

см

. Значение α находят из уравнений материального

и теплового балансов.

9. Уравнение материального баланса

,HC

Σ1

г..с0 nm

+=+

где L

с.г.

– масса сухих газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива;

– массовая доля компонентов, при сгорании которых образуется

вода, кг/кг.