Тепловой баланс воздушной конвективной сушилки.

Для составления теплового баланса воспользуемся схемой (рис. 9-8) конвективной сушилки. Теплоноситель – воздух перед сушилкой подогревается в калорифере, где к нему подводится теплота Q

Рис.9-8.Схема конвективной сушилки непрерывного действия, работающей по нормальному сушильному варианту

 

Введем дополнительные обозначения: – энтальпия воздуха перед калорифером, после калорифера (т.е. на входе в сушилки), на выходе из сушилки, Дж/кг сухого воздуха; и - температура материала на входе и выходе из сушилки; и удельные теплоёмкости высушенного материала и влаги, Дж/(кг*К).

В сушилке могут быть транспортные устройства, на которые помещается высушиваемый материал, следовательно, при составлении теплового баланса следует этот факт учитывать: - масса этих устройств; - удельная теплоемкость их материала; и - температура транспортных устройств на входе и выходе из сушилки.

Баланс теплоты:

а) Приход тепла:

Теплота, подводимая к калориферу Q

С сушильным агентом L

С влажным материалом:

С высушиваемым материалом

С влагой, испаряемой из материала W

С транспортными устройствами

б) Расход тепла:

с сушильными агентом L

с высушенным материалом

с транспортными устройствами

потери тепла в окружающую среду

Уравнение теплового баланса:

Q+ L = L , (9 – 16)

Решение уравнения (9 – 16) относительно Q:

Q = L , (9 – 16,а)

Здесь Q = L - количество теплоты, затраченной на нагрев воздуха в калорифере; L - количество теплоты в уходящем из сушилки теплоносителя; - количество теплоты, расходуемой на нагрев материала; - количество теплоты, расходуемой на нагрев транспортных устройств.

Расчет ведем на 1 кг испаренной влаги. Разделим все члены балансового уравнения на W и обозначим удельные расходы теплоты и воздуха соответствующими строчными буквами:

, (9 – 16,б)

Последние четыре члена правой части (9 – 16,б) обозначим через .

Представив - удельный расход теплоты в калорифере, запишем:

или , (9 - 17)

Это уравнение – основная форма уравнения теплового баланса реальной сушилки. Величина может быть положительна, отрицательна или равна нулю (при ). При энтальпией – такая сушилка называется теоретической. Процесс сушки в ней протекает адиабатически при H=const: испаряемая влага из материала вносит в воздух ровно столько теплоты, сколько он отдает, охлаждаясь, на испарение влаги.

Удельный расход теплоты в теоретической сушилке:

, (9 – 18)

В частном случае (при ) адиабатический процесс протекает и в реальной сушилке.

9.3.6 Изображение основных вариантов конвективной сушки на диаграмме Н – х для теоретической сушилки

А. Нормальный (основной) вариант сушки.

В сушилке, работающей по этому варианту (см рис. 9-8),воздух однократно нагревается в наружном калорифере до высокой температуры, до предельно допустимой для данного материала, и поступает в сушилку, после чего выбрасывается в атмосферу. В калорифере влагосодержание воздуха остается неизменным, но резко падает его относительная влажность. Сушка происходит при значительной , в воздухе с малым χ и низким . Влага будет быстро испарятся.

 

 

Рис.9-9.Нормальный сушильный вариант (теоретическая сушилка) на диаграмме I-x

При построении изображения процесса на диаграмме Н – х (рис. 9-9) задаются характеристики атмосферного воздуха в точке А () и ещё две характеристики воздуха: () или (), или () для определения точек В и С. Например: задана точка А, далее проводят вертикаль до пересечения с изотермой - точка В, изображающая процесс подогрева воздуха в калорифере при χ = const. Из точки В по линии Н = const проводят до пересечения с линией = const или = const. Точка С – характеристика свойств воздуха, покидающего сушилку.

Б. Вариант сушки с рециркуляцией части отработанного воздуха.

Схема установки и изображение процесса – рис. 9 – 10. Здесь АМ – процесс смешения атмосферного и отработанного воздуха; МВ – подогрев смеси в калорифере; ВС – сушка. Для сравнения показан нормальный вариант АВ’С’. Из сопоставления видно, что при данном варианте влагосодержание поступающего в сушилку воздуха больше, т.е. , а , следовательно, сушка происходит в более мягких условиях.

Рис.9-10.Сушильный вариант с рециркуляцией:

а - схема установки; б – изображение процесса на диаграмме I-x;

 

При построении процесса на диаграмме Н – х (рис 9 – 10,б) задано две характеристики, по которым находят точки А и С. Для построения точка М – свойства смеси, поступающей в калорифер, рассчитывают и и по правилу аддитивности:

; , (9 – 19)

Где n – количество возвращаемого в сушилку отработанного воздуха, приходящегося на 1 кг свежего атмосферного воздуха.

Проводят вертикаль МВ до пересечения с линией = const, проходящего через точку С.

Уравнение (9-19) решим относительно “n” и, приравнивая полученные выражения, найдем уравнение связи между характеристиками атмосферного, отработанного воздуха и смеси: . Это уравнение на диаграмме Н – х – есть прямая, проходящая через точки А, М и С.

В. Вариант сушки с промежуточным подогревом воздуха.

Схема установки и изображение процесса даны на рис. 9 -11. При работе по такому варианту используется несколько калориферов (на схеме – два).

Рис.9-11.Сушильный вариант с промежуточным подогревом воздуха:

а – схема установки; б – изображение процесса на диаграмме I-x

 

Атмосферный воздух подогревается в I-м калорифере (линия АВ) проходит над высушиваемым материалом в первой части сушки (ВС’), вторично подогревается во II-м калорифере (С’В’) и снова проходит над высушиваемым материалом во второй части сушилки (В’С). По сравнению с нормальным вариантом (АВ’’С) , т.е. при сушке в данном варианте обеспечиваются более мягкие условия сушки. Расходы воздуха и теплоты тоже, что и в нормальном варианте, так как одинаковы.

Г. Изображение реального процесса сушки (нормальный вариант) на диаграмме Н – х.

Уравнение энтальпии для реальной сушки (8-17): . По данным характеристикам воздуха, нанесены точки А и С на рис. 8 – 12.

 

Рис.9-12.Нормальный сушильный вариант в реальной сушилке на диаграмме I-x

 

 

Построение изображения процесса сводится к определению наклона линии сушки.

При энтальпия . В этом случае от точки пересечения линий = const и . = const откладывают вверх отрезок (в масштабе оси Н) и находим точки В, характеризующую свойства воздуха, поступающего в сушилку, и точку С – покидающую сушилку. Следовательно, отрезок ВС – реальный процесс сушки.

При энтальпия , т.е. энтальпия сушильного агента возрастает в результате дополнительного подвода теплоты :

, (9 – 20)

Построение линии ВС аналогично (рис. 9 - 12), только отрезок откладывается вниз от точки пересечения линий = const и . = const.

Удельные расходы воздуха и теплоты не изменяются; циркулирующий воздух обеспечивает более мягкие условия сушки.

При проектировании сушилок принимают относительную влажность воздуха , что способствует предотвращению конденсата влаги на пылеулавливающих устройствах.

9.4 Тепло- и массообмен между воздухом и материалом при сушке.

9.4.1. Точка росы.

Это температура, охлаждаясь до которой при χ = const воздух достигает состояния насыщения водяными парами. Точку росы D (рис. 9-13) для воздуха с’ начальными характеристиками, соответствующими точке А, находят как изотерму точки пересечения вертикальной прямой, проходящей через точку А, с линией . Охлаждение воздуха ниже точки росы сопровождается конденсацией и выделением влаги, т.е. осушкой воздуха.

Рис.9-13.Определение точки росы (а) и температуры мокрого термометра (б) на

Диаграмме I-x

9.4.2. Температуру мокрого термометра.

При адиабатическом взаимодействии воздуха с более холодным влажным материалом воздух будет охлаждаться, отдавая свою физическую теплоту материалу, но пополняя свою энтальпию за счет энтальпии водяных паров, переходящих из влажного материала в воздух. В этих условиях температура воздуха понижается, а энтальпия остается неизменной. Такой процесс массообмена протекает до полного насыщения воздуха водяным паром, т.е. до его температуры, которая будет соответствовать относительной влажности . Предел охлаждения воздуха определяется точкой А (рис. 9-13), найденный на диаграмме Н – х, проводя прямую Н = const из точки А до пересечения с линией в точке D. Изотерма (t = ), проходящая через точку D, соответствует пределу охлаждения воздуха, или так называемой температурой мокрого термометра, т.е. температура мокрого термометра является температурой воздуха, соответствующей его насыщению в адиабатических условиях. В адиабатических условиях температура испаряющейся влаги постепенно устанавливается постоянной, равной температуре мокрого термометра .

 

 

9.4.3. Движущая сила процесса сушки.

Программный слой воздуха у поверхности влажного материала насыщается водяным паром и в пределе парциальное давление водяного пара в пограничном слое будет . Из этого слоя влага диффундирует в окружающий воздух, так как существует , где - парциальное давление водяного пара в горячем воздухе.

Рис.9-14.Определение движущей силы (∆Р_ср) процесса сушки на диаграмме I-x

Очевидно, что на входе и выходе из сушилки значения будут различны, и следует говорить о средней движущей силе. Для определения удобно воспользоваться диаграммой Н – х. Рис. 9-14 представляет нормальный сушильный вариант процесса сушки. Точка В – характеристика воздуха, поступающего в сушилку; точка С – покидающего сушилку. Опускаясь от этих точек по линии χ = const до линии парциальных давлений водяного пара, находим значения и . Линия ВС – изменение свойств воздуха в процессе сушки. Следуя от точки С по линии Н = const до и опускаясь затем по χ = const до линии парциального давления, определяем значение . Тогда, на входе в сушилку , а на выходе - и средняя движущая сила процесса сушки:

, (9 – 21)

Рассматривая сушку как тепловой процесс, движущую силу можно выразить разностью:

(каппа) , (9-22)

Где t – температура воздуха; – температура поверхности влажного материала, равная температуре мокрого термометра. Иначе - называют потенциалом сушки.

Рассматривая процесс сушки как массообменный, движущую силу сушки можно выразить разностью влагосодержаний воздуха – насыщенного (в пограничном слое) и ненасыщенного (в воздушном потоке):

, (9-23)

Рис.9-15.Схемы определения (а) и (б) на диаграмме I-x

На рис. 9-15 показана схема определения по диаграмме Н – х потенциала сушки на входе в сушилку и на выходе из неё . Из полученных значений имеем среднюю движущую силу:

, (9-24)

Можно найти и разность влагосодержаний:

и , (9-25)

А так же

, (9-26)

9.4.4. Равновесная влага и связь влаги с материалом.

Материал находится в контакте с влажным воздухом, тогда возможно два процесса:

1. Сушка (десорбция влаги из материала) при парциальном давлении пара над поверхностью материала , превышающим его парциальное давление в воздухе (газе) , т.е. при .

2. Увлажнение (сорбция влаги материалом) при . В процессе сушки величина уменьшается и приближается к пределу . При этом наступает состояние динамического равновесия, которому соответствует влажность материала , называемая равновесной. При достижении этого состояния дальнейшая сушка невозможна. Равновесная влажность зависит от парциального давления водяного пара над материалом или пропорциональной ему величины относительной влажности воздуха и температуры воздуха t, т.е. .

9.5 Кинетика процесса сушки.

9.5.1. Периоды постоянной и падающей скорости.

Рис.9-16.Кривая сушки

Рис.9-17.Кривая скорости сушки

 

Кинетика сушки определяется изменением во времени средней влажности материала. Зависимость между влажностью материала и временем изображается кривой сушки (рис. 9-16, кривая АВС). Кривая сушки состоит из двух участков, соответствующих различным периодам сушки. АВ – период постоянной скорости сушки, в течении которого влажность материала интенсивно уменьшается. Этот период – когда высушивают сильно увлажненный материал, причем вся поверхность материала увлажнена равномерно за счет быстро протекающего подвода влаги из глубинных слоев. Поверхность испарения совпадает с поверхностью материала, скорость сушки определяется только , т.е. скоростью внешней диффузии влаги из пограничного слоя в окружающую среду. В этот период вся теплота, подводимая к материалу, затрачивается на интенсивное испарение влаги с поверхности материала. Температура материала практически постоянна и равна температуре испарения жидкости со свободной поверхности (температура мокрого термометра) (отрезок А’В’ на линии и точка В на линии u’()). Внутри материала возникает градиент влажности, который обеспечивает перемещение влаги из внутренних слоев материала к его поверхности (внутреннюю диффузию влаги). Он настолько велик, что скорость процесса сушки обуславливается только скоростью испарения влаги с поверхности (внешняя диффузия). При убыли влаги из материала на его поверхности образуются сухие островки, поверхность испарения уменьшается и уже не совпадает с геометрической поверхностью материала. Последнее ведет к понижению скорости сушки, начинается период падающей скорости сушки (второй период).

Во втором периоде уменьшение влажности материала выражается некоторой кривой (кривая ВС’). Точка перегиба В называется критической точкой, а соответствующая ей влажность материала критической влажностью. Наступает момент, когда влага удалена полностью с поверхности материала и скорость сушки определяется скоростью внутренней диффузии влаги. Из материала удаляется наиболее прочно связанная влага – капиллярная, адсорбционно-связанная.

Во второй период температура материала начинает повышаться () – участок В’С’ на кривой . В пределе материал может быть высушен до равновесной влажности , т.е. до установления динамического равновесия между содержанием влаги в материале и в воздухе. Температура материала достигает наибольшего значения – становится равной температуре окружающей среды (). Обычно материал высушивается до конечной влажности (точки С и С’).

Вид функции u’= может отличаться от приведенной на рис. 9-16 в зависимости от структуры материала и вида связи влаги с материалом. Не всегда при сушке наблюдаются оба периода; в отдельных случаях весь процесс протекает в интервале влажности , что соответствует первому периоду, а в других – в интервале влажности , т.е. второму периоду.

Имея кривую сушки материала АВ С’ (см рис 9-16) можно построить кривую скорости сушки (рис. 9-17) – зависимость скорости сушки d u’ (d ) от влагосодержания материала u’. Участок АВ отвечает первому периоду, а отрезок ВС – второму периоду. Вид кривых скоростей сушки во втором периоде весьма разнообразен: линия ВС’ может быть вытянутой, выпуклой, иметь вторую критическую точку, т.е. характер ее зависит от свойств материала и вида связи с ним влаги.

9.5.2. Продолжительность сушки. Константы скорости сушки.

В первом периоде скорость сушки постоянная (см. рис 9-17), следовательно: . Знак минус означает убыль влаги со временем. Разделим переменные и проинтегрируем это уравнение в пределах изменения влажности в первом периоде:

(9-27)

откуда и продолжительность сушки в первом периоде , (9-28)

где N – константа скорости сушки в первом периоде.

Для определения продолжительности второго периода сушки на прямой ВС возьмем любую точку, соответствующую влажности . Для нее можно записать:

, (9-29)

Где K – тангенс угла наклона прямой ВС к оси абсцисс.

Разделим переменные и проинтегрируем полученное уравнение в пределах изменения влажности при сушке во втором периоде от до :

, (9-30)

В результате интегрирования получаем: , откуда

, (9-31)

Выразим константу K через N, тогда K=N/(), откуда

, (9-32)

Общая продолжительность сушки:

9.6 Конструкции конвективных сушилок.

Это аппараты, в которых испарение влаги из высушиваемого материала происходит за счет теплоты газообразного сушильного агента при контакте материала и теплоносителя.

9.6.1. Камерные, или потолочные, сушилки (рис. 9-18)

Рис.9-18.Камерная сушилка:

1,4,5 – воздухоподогреватели;

2 – шибер; 3 – камера; 6 – вагонетки;

7 - вентилятор

Это сушилки различных конструкций, работающих периодически при атмосферном давлении. Материал помещается на полках, сетках и т.п. Сушильные камеры изготавливают из различных материалов (металла, кирпича, бетона и т.п.) в зависимости от производительности режима сушки. Для устранения потерь теплоты в окружающую среду камеру изолируют теплоизоляционным материалом (слой изоляции мм). Контроль ведется по температуре циркулирующего воздуха, температуре высушиваемого материала; в работающих под вакуумом – абсолютное давление и температуру сушильного агента. Применимость – для сушки разнообразных химических и пищевых продуктов.

9.6.2. Туннельные сушилки (рис. 9-19)

Рис.9-19.Туннельная сушилка:

1 – кожух; 2 – вагонетки; 3 – вентиляторы; 4 – внутренние калориферы

 

Иначе они называются коридорными или канальными. Это длинные камеры, внутри которых по рельсам перемещаются вагонетки с высушиваемым материалом. Нагретый воздух обтекает транспортные устройства прямо- или противотока (или перекрестным током). Туннельные сушилки более прогрессивнее камерных, так как сушка в них идет непрерывно, однако загрузка и выгрузка почти не механизирована. Использование – сушка кирпича, керамических изделий, лакокрасочных покрытий, пиломатериалов (древесных), пищевых продуктов и т.п.

 

9.6.3. Ленточные сушилки (рис. 9-20).

Рис.9-20.Ленточная сушилка:

1 – кожух; 2 – транспортирующая лента; 3,4 – звёздочки (ролики); 5 – калорифер; 6 – загрузочное устройство; 7 – направляющие ролики

 

Они представляют собой камеру, в которой расположена одна или несколько движущихся лент. Ленты (конвейеры) изготавливают из сортовой стали, предназначенные для сушки материалов, обычно перекрестным током. Скорость лент, а следовательно, и скорость сушки, регулируются от 0,1 до 1,0 м/мин. Недостаток – неравномерность движения конвейера.

9.6.4. Барабанные вращающиеся сушилки (рис. 9-21)

Рис.9-21.Барабанная сушилка:

1 – устройство для загрузки; 2 – бандажи; 3 – зубчатое колесо; 4 – барабан; 5 – вентилятор;

6 – циклон; 7 – приёмный бункер; 8 – упорные ролики; 9 – опорные ролики; 10 - топка

 

Получили наиболее широкое распространение благодаря высокой производительности, несложности конструкции и возможности сушить разнообразные продукты. Внутри металлического сушильного барабана в зависимости от свойств высушиваемого материала располагается насадка различных типов. Вращение барабана осуществляется приводом: зубчатым ободом (венцом) и зубчатой передачей, расположенной на проходящей под барабаном раме или плите. Угол наклона сушилки от 1:16 до 1:40. Важная деталь – уплотнение места соединения вращающегося барабана с неподвижной частью агрегата. Скорость воздуха – от 0,5-1,0 м/с до 3,5-4,5 м/с; загрузка барабана материалом обычно – 20-25% общего объема сушилки. Отношение длины к диаметру ; частота вращения - об/мин.

9.6.5. Сушилки со взвешенным (псевдоожиженным) слоем (рис. 9-22)

Рис.9-22.Сушилки (а-в) со взвешенным (псевдоожиженным) слоем:

1 – бункер; 2 – питатель; 3 – решётка; 4 – конический корпус; 5 – калорифер; 6 – вентилятор;

7 – разгрузочное устройство; 8 – конвейер; 9 – циклон; 10 – рукавные фильтры; 11 – перегородки;

12 – мешалка; 13 - решётка

 

Эти сушилки за последние 20 – 30 лет получили широкое распространение для сушки многих сыпучих материалов (зерна, минеральных солей, угля и т.п.), а также паст и растворов. Применяются аппараты круглого и прямоугольного сечения, одно- и многокамерные, аэрофонтанные, с кипящим, виброожиженным или с фонтанирующим слоем. Успешная работа сушилок с кипящим слоем обеспечивается главным образом удачной конструкцией газораспределительной решетки.

9.6.6. Пневматические сушилки (рис. 9-23).

Их применяют для интенсивного удаления свободной (поверхностной) влаги. Линейная скорость воздуха в сушильной трубе должна быть больше скорости уноса высушиваемых частиц. Практически принимают, что 1 кг воздуха перемещает по пневматической трубе от 8 до 20 кг высушиваемого материала.

 

Рис.9-23.Пневматическая сушилка:

1 – бункер; 2 – питатель; 3 – вертикальная труба; 4 – сборник-амортизатор; 5 – воздушный фильтр; 6 – циклон; 7 – разгрузочное устройство; 8 – вентилятор; 9 – подогреватель воздуха

 

Список литературы.

1. Бакластов А.М. «Промышленные тепломассообменные процессы и установки», 1986 г.;

2. Григорьев В.А. «Промышленная теплоэнергетика и теплотехника», справочник, кн3 и кн4;

3. Касаткин А.Г. «Основные процессы и аппараты химической технологии», 1971 г.;

4. Кириллов П.Л. «Тепломассообмен в ЯЭУ», 2000г.;

5. Рассохин П.Г. «Парогенераторы АЭС», 1987г.;

6. Ремжин Ю.Н. «Основы компоновки и теплового расчета ПГ и АЭС», 1981г.;

7. Романков П.Г. «Процессы и аппараты химической промышленности», 1989г.;

8. Свенчанский А.Д. «Электрические промышленные печи», 1975г.;

9. Трушкин В.В. «Тепловой расчет кожухотрубных теплообменников и парогенераторов АЭС», учебно-методическое пособие, 2007г.

10. Трушкин В.В. «Электронагрев. Электрические печи сопротивления», учебно-методическое пособие, 2009г.

 

 

Таблица П1