Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Сушильные установки

Сушкой представляет собой термический процесс удаления из твердых материалов или растворов содержащихся в них влаги путем ее испарения / 28, стр. 164 /.

При естественной сушке материал можно высушить до влажности близкой к равновесной и соответствующей параметрам окружающего воздуха и в ряде случаев недостаточной для последующей технологической обработки материалов. Отличается большой продолжительностью, требует больших площадей и по общим затратам мало отличается от искусственной.

При искусственной сушке, сушильный агент, поглотивший испарившиеся пары влаги,

отводится искусственным способом: при помощи вентиляторов, инжекторов, вытяжных труб и других устройств. Проводится обычно горячим воздухом. Таким образом, основными частями сушилки являются устройства для нагрева сушильного агента, камеры сушки и сооружений для очистки отходящих газов.

Эксплуатация сушильных установок весьма разнообразна и зависит от свойств высушиваемого материала, формы связи влаги с материалом и режимов сушки. По форме связи влаги с материалом различают:

- физико-химическая связь подразделяется на адсорбционную и осмотическую и характеризуется различными, не строго определенными количественными соотношениями.

- при механической связи наблюдается удержание влаги в неопределенных соотношениях.

- химическую связь, которая характеризуется точными количественными соотношениями, разрыв которых приводит к разрушению материала и поэтому в процессе сушки не применяется.

Для оценки перспективы способа сушки влажные материалы делятся на шесть основных групп:

1. все жидкие материалы - истинные и коллоидные растворы, эмульсии и суспензии;

2. пастообразные материалы, которые нельзя перекачивать насосом;

3. пылевидные, зернистые и кусковые материалы, обладающие сыпучестью во влажном состоянии;

4. тонкие гибкие материалы: ткани, пленка, бумага;

5. штучные, массивные по объему материалы: керамика, стройматериалы, изделия из древисины;

6. различные изделия, подвергающиеся сушке после окраски, грунтования, склеивания.

Существует большое количество разнообразных типов и конструкций сушильных установок. Так по способу подвода тепла к сушильному материалу различают конвективные, терморадиационные, применяемые когда необходимо удалять поверхностную влагу, контактные атмосферные, вакуумные, сублимационные сушилки, сушилки с использованием токов высокой частоты, когда необходимо вести сушку с внутренних слоев, комбинированные способы сушки.

Наибольшее распространение получили конвективные сушилки с преимушественным использованием в качестве сушильного агента дымовых газов или воздуха, нагреваемого в калориферах. При этом возможно однократное использование сушильного агента, его рециркуляция, наличие промежуточного подогрева и комбинированные схемы.

По конструктивному решению конвективные сушилки могут быть камерные, тунельные или коридорные, вагонеточные, ленточные, шахтные, барабанные, пневматические и др.

По режиму работы могут быть непрерывного действия, периодического и полунепрерывного действия.

При конструировании после выбора оптимального типа сушильной установки определяются ее размеры, схема процесса сушки и основные характеристики процесса. Схема движения и характеристики находятся из уравнений баланса энергии и массы. Очень полезной при этом является диаграмма Рамзина-Молье (I-d диаграмма), которая представляет собой соотношение между энтальпией, влажностью и температурой сушильного агента / 20 /.

Выбор сушильного агента проводится на основе комплексного исследования технико-экономических показателей сушильной установки, технологической схемы и связи её с тепловой схемой предприятия.

Воздух применяется когда температура сушки не превышает 110-150 ⁰С. Подогрев воздуха осуществляется водяным паром давлением 0,3 - 0,7 МПа в паровых калориферах. Более высокий подгрев воздуха до 500 ⁰С вызывает неоправданное удорожание всей системы сушки.

Топочные (дымовые) газы используются для сушки при температурах 200 - 800 ⁰С. Для этих целей сооружаются специальные топочные устройства для сжигания отходов или топлива. Наиболее рационально использование дымовых газов из топок производственных котельных, котлов ТЭЦ, плавильных и обжиговых печей.

Азот используют как сушильный агент в тех случаях, когда сушимый материал склонен к окислению или является взрывоопасным или взрывоопасна испаряющаяся жидкость. Получают азот в воздухоразделительных установках.

Сушку капилярно-пористых материалов, накапливающих электростатические заряды перспективно проводить перегретым паром. К достоинствам этого метода можно отнести: существенную интенсификацию внутреннего тепломассопереноса, отсутствие окислительных процессов, упрощение тепловой схемы теплоснабжения сушильного агрегата, в ряде случаев - увеличение скорости сушки и снижение удельных расходов теплоты на сушку.

2.3.1. Основные этапы проектирования

Процесс проектирования условно можно разбить на два этапа / 29 /.

1. На первом предварительном этапе производится:

- выбор типа установки;

- обоснование (расчет) оптимального режима процесса;

- выбор метода электроподвода и вида сушильного агента;

- выбор типа калорифера и топочной камеры с вспомогательным оборудованием;

- выбор типов вентиляторов и мест их расположения;

- выбор загрузочно/разгрузочных узлов и транспортных приспособлений;

- выбор системы контроля, регулирования и управления процессом.

2. На втором этапе производятся основные расчеты, методика и порядок которых зависят от типа установки, метода энергоподвода, варианта сушильного процесса и других специфических факторов. Так, например, при конвективной сушке, когда сушильный агент является теплоотдатчиком и влагопоглотителем, задача сводится к расчету расхода сушильного агента. При других методах энергоподвода определяется интенсивность теплового потока, величина которого лимитируется свойствами высушиваемого материала.

При курсовом проектировании в задании на расчет конвективной сушильной установки обычно указано в целом

по установке:

- производительность;

- вид сушильного агента;

- способ его нагрева;

- характер циркуляции сушильного агента;

- способ загрузки, транспортирования и выгрузки материалов;

по материалу:

- начальная и конечная влажность материала,

- начальная и максимально допустимая температура;

- размеры, масса, свойства материала;

по режиму сушки:

- параметры наружного воздуха;

- максимально допустимая температура подаваемого и температура (или влажность)

отработанного сушильного агента;

- скорость сушильного агента.

Продолжительность сушки должна быть определяется на основе расчетов по уравнениям кинетики процесса.

Примерная схема расчета сушильной камеры сводится к:

1. расчет массы испаренной влаги;

2. расчет расхода воздуха;

3. расчет габаритов сушильной камеры;

4. выбор конструкции ограждений сушильной камеры и расчет потерь теплоты в окружающую среду;

5. расчет остальных теплопотерь;

6. построение процесса в i-d диаграмме (если применяется графоаналитический метод расчета);

7. расчет расхода тепла.

При расчете нагревательной установки проводится:

1. выбор типа калорифера и вида теплоносителя;

2. расчет средней температурной разности;

3. расчет коэффициента теплоотдачи;

4. определение площади поверхности теплообмена;

5. расчет топки (для огневого калорифера и при сушке топочными газами).

При расчете вентиляционной установки разрабатывается схема воздушного тракта, расчет сопротивлений в сушильной установке, выбор вентиляторов и расчет мощности на валу электродвигателей.

На основе расчетных данных составляют таблицу основных технико-экономических показателей установки для сравнения с действующими типами установок.

2.3.2. Общая методика расчета сушильной установки

Рассмотрим на примере воздушной сушилки туннельного типа с отдельно расположенным калорифером и вентилятором перед ним / 30, стр. 84 /.

Наружный воздух с температурой t₀, влажностью j₀, влагосодержанием d₁ и энтальпией I₀ нагнетается вентилятором в калорифер, в котором нагревается, и с параметрами t₁, j₁, d₁, I₁входит в сушильную камеру. В процессе сушки параметры воздуха изменяются и достигаю значений t₂, j₂, d₂, I₂ и с этими параметрами воздух уходит из сушильной камеры.

При этом, под относительной влажностью воздуха j или степенью насыщения понимается отношение абсолютной влажности воздуха к абсолютной влажности его в состоянии насыщения:

j = r _п / r_s =R _п¤ R_s

где r _п (в кг/м³) - абсолютная влажность воздуха в ненасыщенном и r_s насыщенном состоянии при парциальных давлениях R _пи R_s, соответственно. А влагосодержание влажного воздуха d, содержание влаги (водяных паров) в кг приходящихся на 1 кг сухого воздуха:

d = 0,622 P_п(В - P_п)

Состояние материала перед сушкой характеризуется параметрами: начальной влажностью W₁ в % к общей массе и температурой q₁, после сушки W₂и q₂.

Согласно закону сохранения вещества масса материала, входящего в сушильную камеру - равна массе высушенного материала плюс масса испаренной влаги:

g ₁= g ₂ + U (1)

Массу материала можно выразить через массу абсолютно сухого вещества g _с.вещ.(в кг/ч) и массу содержащейся в нем влаги. Так как в процессе сушки масса абсолютно сухого вещества материала остается постоянной, то можно записать:

g₁ = g _с.вещ. + (W₁ /100) g₁; g₁ = g _с.вещ. / (1 - W₁ /100); (2)

g₂ = g _с.вещ. + (W₂ /100) g₁; g₂ = g _с.вещ. / (1 - W₂ /100); (3)

Из этих уравнений можно получить:

g₁ /g ₂ = (100 - W₂) / (100 - W₁); (3)

Отсюда масса высушенного материала:

g₂ = g ₁ (100 - W₁) / (100 - W₂); (4)

Масса сырого материала:

g₁ = g ₂ (100 - W₂) / (100 - W₁); (5)

Из уравнения (1) и (4) можно получить:

U / g₁ = 1 - g₂ /g ₁= 1 - (100 - W₁) / (100 - W₂) = (W₁- W₂) / (100 - W₂); (6)

U / g₂ = g₁ /g ₂- 1 = (100 - W₂) / (100 - W₁) - 1 = (W₁- W₂) / (100 - W₁); (7)

здесь U / g₁и U / g₂- масса испаренной влаги, приходящейся, соответственно, на 1 кг сырого и высушенного материала, кг/кг.

Таким образом, масса испаренной влаги:

U = g₁/ (W₁- W₂) / (100 - W₂) = g₂/ (W₁- W₂) / (100 - W₁); (8)

При помощи формул (5) и (8) по заданным значениям начальной и конечной влажности материала и по массе сырого материала можно определять массу высошенного материала и наоборот, зная массу высушенного материала, можно определять массу сырого материала и количество испаренной влаги.

При расчете расхода воздуха в сушильной камере считают, что в процессе сушки масса сухого воздуха L (в кг/ч) не изменяется за счет утечек и присосов и все величины, характеризующие состояние сушильного агента, относятся к 1 кг абсолютно сухого воздуха, содержащегося в паровоздушной смеси, масса которой увеличивается за счет изменения влагосодержания.

В уравнение баланса влаги для сушильной камеры входит масса влаги, поступившей в камеру с материалом (g₁ W₁ / 100, в кг/ч) и воздухом (L d₁ /1000, в кг/ч) и влага ушедшая с материалом (g₂ W₂ / 100) и воздухом (L d₂ / 1000) из камеры:

g₁ W₁ / 100 + L d₁ /1000 = g₂ W₂ / 100 + L d₂ / 1000 (9)

где d в г/кг с.в., d /1000 в кг/кг с.в. Отсюда следует равенство потерь влаги материалом за время сушки (g₁W₁/100 - g₂W₂/100) и количество испаренной влаги в час (U =L (d₂ - d₁) / 1000)

g₁ W₁ / 100 - g₂ W₂ / 100 = L (d₂ - d₁) / 1000 (10)

Масса сухого воздуха:

L = U 1000 / (d₂ - d₁). (11)

Расход воздуха может быть определен также графически по I-d диаграмме.

Габаритные размеры сушилок зависят от заданной производительности и продолжительности сушки, размещения материала. Габариты шахтных, барабанных, распылительных сушилок обычно приближенно рассчитывают, используя значение напряжения объема сушильной камеры по влаге А (в кг/вл./(м³ ч)) определенное экспериментально.

Тепловой расчет сушильной установки. Тепловые расчеты и расчет расхода воздуха можно проводить графоаналитическим методом с использованием I-d диаграммы влажного воздуха и аналитическими методами. Графоаналитический метод построения процесса в I-d диаграмме дает наглядную картину изменения параметров воздуха при его нагреве и сушке, однако аналитический расчет всегда дает более точные результаты. В аналитических методах, чтобы рассчитать расход теплоты в сушильной установке, составляют тепловой баланс сушильной камеры.

Масса испаренной в сушильной установке влаги в единицу времени определяется выражением (8). Баланс влаги в сушильной камере при установившемся процессе сушки для установки с однократным использованием массы сухого воздуха (L) и отсутствии неплотностей конструкции сушильной установки имеет вид (10). Удельный расход сухого воздуха в сушильной установке принято относить к 1кг испаренной влаги (U), в связи с чем / 30 /:

m _в = L / U = 1000 / (d₂ -d₁) (12)

По известным значениям L или m можно определить количество теплоты (в Дж), необходимое для подогрева воздуха:

Q = m _в U (I₂-I₁) = L (I₂ -I₁) (13)

или удельное количество теплоты на 1 кг испаренной влаги (в Дж/кг)

q = m _в (I₂-I ₁) (14)

где I₁,I₂- энтальпия воздуха до и после подогрева, Дж/кг с.в.

Тепловой баланс сушильной камеры может быть выражен уравнением / 1, стр.91/

L I ₁+ g₁ c _м1 q₁= L I ₂+ g₂ c _м2 q₂(15)

где с_м1и с_м2 удельные теплоемкости материала до и после сушки, кДж/(кг К); q₁, q₂ - температура материала до и после сушильной камеры.

Так как g₁= g ₂ U, то можно записать

g₁ c _м1 q₁= g₂ c _м2 q₂+ U q ₁c_вл (16)

где с _вл - удельная теплоемкость воды, а q₁и q₂ -температуры материала до и после сушильной камеры. Подставляя (16) в уравнение баланса (15) получим

L I ₁+ g₂ c _м2 q₁+ U q ₁c_вл= L I ₂+ g₂ c _м2 q₂(17)

Для сушилки без потерь q ₁ = q ₂, поэтому

L I ₁+ U q ₁c_вл= L I ₂(18)

Таким образом, энтальпия воздуха, выходящего из сушильной камеры,

I ₂= I ₁+ U q ₁c_вл/ L (19)

Из последней формулы видно, что в теоретической сушилке энтальпия воздуха в процессе сушки увеличивается за счет тепоты жидкости, имеющей температуру (1, превратившейся в пар.

В сушильной камере действительной сушилки теплота тратиться не только на испарение влаги из материала, перегрев образующегося пара и нагрев уходящего воздуха, но и на следующие потери: нагрев материала q м и транспортных устройств q тр., на компенсацию потерь в окружающую среду q о.с. и термодинамические потери.

Продолжительность сушки. Поскольку сушка является необратимым нестационарным процессом анализ и расчет её протекания связан с кинетикой процесса, отражающей изменение среднего влагосодержания и средней температуры материала с течением времени. Анализ кривых показывает, что в процессе сушки можно выделить несколько периодов. Первые период прогрева материала - продолжительность его невелика, второй период - постоянной скорости сушки при постоянной температуре. При влагосодержании на поверхности материала соответствующего равновесному начинается третий период и скорость сушки снижается. Существуют различные методы решения системы уравнений взаимосвязанных процессов тепло- и массопереноса.

В методе Лыкова А.В. / 29, стр. 56 /расчет начинается с определения коэффициента массообменна по эмпирическим зависимостям. Затем определяется интенсивность перемещения влаги в теле, равную интенсивности влагоотвода с поверхности (кг/ м 2 ч):

q m = (m р (Pм - Pп)

Здесь (m р - коэффициент внешнего влагообмена (кг/ м2 ч Па) отнесенный к разности парциальных давлений пара над поверхностью материала Pм и в окружающем воздухе Pп.

После этого определяется скорость сушки в первый период

N = 100 q m S / g с.в.

где S - площадь поверхности испарений и g с.в. - масса сухого вещества, и продолжительность первого периода по влажностям материала

t ₁ = (W ₁ - W _к1) / N

Для определения длительности второго периода сушки толстых материалов, если к началу его наблюдается параболическое распределение влаги по сечению материала, используется выражение

t ₂ = (1 / K) ln [(W_к.п. ^с - W_р^с) / (W₂^с - W_р^с)]

где W_к.п. ^с= W _к.1^с, W_р^с - критическая приведенная и равновесная влажность материала для заданного режима сушки.

Коэффициент сушки равен

K = N / (W_к.п^с - W_р^с)

Более точные результаты получаются, если воспользоваться значениями коэффициента сушки, определенных в экспериментах с конкретным материалом в соответствующих условиях.

Следует отметить, что экспериментально установлено, что чем выше влажность, температура или давление внутри материала, тем больше скорость его сушки. Градиенты соответствующих параметров могут иметь как положительный, так и отрицательный знаки. Чем меньше градиент влажности в материале имеет место при сушке, то есть разница влажностей в центре и на поверхности - тем выше качество высушенного материала.

2.3.3. Выбор оптимального способа и режима сушки / 18 /

Задача оптимальной организации сушильного процесса включает в себя оптимизацию теплотехнической схемы, конструкции сушильной установки, а также режимных параметров сушильного процесса. Для конвективных, например, режимными параметрами являются температура, скорость и относительная влажность сушильного агента. Оптимизацию режимных параметров следует вести методом отыскания минимума целевой функции, которая может быть получена на основе экономико-математической модели конвективных сушильных установок, когда экономические показатели выражены в виде непрерывной функции от конструктивных и технологических параметров.

В качестве критериев оптимальности могут быть выбраны или экономические, такие как приведенные затраты, себестоимость или технологические критерии. Технологические определяют по минимуму энергозатрат для энергоёмких процессов или на основе максимума производительности по испаренной влаге. Возможно и сочетание различных критериев, использование таких показателей как расход дефицитных материалов, энергоресурсов, условия труда и охрана окружающей среды.

Энергетический К.П.Д. сушильных установок обычно увязывается с конкретной конструкцией и с сушкой конкретного материала. Определение к.п.д. базируется на первом законе термодинамики, на основании которого записывается уравнение теплового баланса. Полезно использованной теплотой считается толька та теплота, которая затрачена на испарение влаги из материала / 29 /. Эта теплота (кДж/кг с.г.) отнесенная к 1кг сухого газа (воздуха), записывается в виде

q _пол = r (d ₂ - d ₁) / 1000,

где r - удельная теплота парообразования, определенная по средней температуре материала.

Если в качестве сушильного агента используются отходящие газы газы каких-либо тепловых агрегатов, то затраченной теплотой является

q _зат = с _р (t ₁ - t ₀),

где t ₁- температура газа, поступающего в сушильную камеру; t ₀ - температура окружающей среды. К.П.Д. определяется выражением

h _эн = q _пол / q _зат = r (d ₂ - d ₁) / [ с _р (t ₁ - t ₀)]

Оценка тепловой эффективности сушильных установок по энергетическому К.П.Д. не может считаться достаточно полной и универсальной / 29, стр. 135 /, так как сушка - это типичный необратимый процесс. В процессе сушки изменяется не только количество передаваемой или воспринимаемой энергии, но и её качество. Увеличение энтропии системы приводит к обесцениванию энергии и снижению её работоспособности, то есть к снижению возможности перехода в другие виды энергии. Поэтому оценку эффективности следует проводить на основе второго закона термодинамики, с учетом необратимости процессов и в сравнении их с идиальным процессом, так называемый эксергетический метод.

Под эксергией Е (Дж/кг) понимается максимальное количество работы, получаемой от системы при обратимом переходе из исходного состояния в состояние равновесия с окружающей средой. Эксергия является наиболее ценной частью энергии, причем в необратимых процессах количество эксергии уменьшается. Отношение полезно использованной эксергии Е_пол к затраченной Е _зат называется коэффициентом термодинамического совершенства или эксергетическим К.П.Д.:

h _экс = Е _пол/ Е _зат

Для процесса сушки полезной считают только затраты эксергии на испарение влаги из материала при соответствующей температуре испарения. Эксергию топлива, израсходованного на нагрев влаги до температуры испарения и на перегрев образующегося пара, относят к потерям

Е _зат= Е _пол + Е _пот.

Эксплуатация и испытания сушилок проводятся при стабильной температуре, только при этом условии включаются загрузочные и дозирующие устройства. Если сушка сопровождается газовыделениями, то необходим их контроль, учет и анализ. Сооружения для очистки отходящих газов должны обеспечивать высокую степень очистки и не допускать выброса газов с содержанием вредных веществ выше ПДК. Контролю и измерениям также подлежат расход, температура, влажность, концентрация сушильного агента на входе и выходе из камеры. Иногда, с целью предупреждения растрескивания, необходимы сведения по градиенту температур внутри материала подвергаемого сушке, контроль разряжения в барабанных сушилках и др.

Конкретные виды и схемы требуют своего набора параметров подлежащих измерению для обеспечения эффективной и безопасной работы. С перечнем параметров подлежащих измерениям при испытаниях конвективных сушилок можно ознакомиться в / 28 /.

Практические занятия

Тема 1. Расчет установки для сушки дисперсных материалов в плотном слое

(Гинсбург стр. 151, см. Также курсовой по обжигу кирпича)

Для сушки кусковых материалов обычно применяют тунельные (конвейерные, ленточные, вагонеточные) и камерные сушилки. При сушке в слое порозность неподвижного или гравитационно движущегося плотного слоя

e = 1 - (r _об - r _т)

Гидравлическое сопротивление неподвижного плотного слоя может быть определена по формуле акад. Н.М.Жаворонкова

DR =(2 l _сл h / d _эф) (g v² / 2 g)

где l _сл - коэффициент сопротивления слоя, определяется по эмпирическим зависимостям; h - высота слоя; d _эф - эффективный гидравлический диаметр каналов, образованных твердыми частицами:

d _эф= (2 / 3) [e ₀ f d _эф/ (1 - e ₀)

где e ₀ - начальная порозность слоя; f - коэффициент формы частицы;

f = (0,205 F / V ^2/3)^0,5

где F, V - площадь поверхности и объем частицы; v - средняя скорость потока в каналах;

v = v_ф/ e₀; v _ф- скорость фильтрации газа, отнесенная ко всей площади поверхности, занимаемой слоем.

При изучении слоевых систем обычно выделяется «элементарный» слой и затем полученные результаты переносятся на весь слой, который рассматривается как сумма «элементарных».

Для кинетического расчета процесса сушки (зерна) в элементарном слое может быть использована эмпирическая зависимость для скорости сушки:

N = (3,906 - 0,103 t₁+ k W^c₁) (G₁/ F_p) ^0,55(v r) ^0,5

где t _{1 -} температура сушильного агента, поступающего в слой (80-140 ⁰С); k - коэффициент, являющейся функцией температуры сушильного агента; k = 0,0114 t₁- 0,434; W^c₁- начальная влажность зерна (20-45%); v r- массовая скорость сушильного агента (0,34-1,3 кг/(м² с); G₁- масса слоя сырого зерна, кг; F _p - площадь решетки, м; G₁/ F_p_- удельная нагрузка зерна на решетку (2,45-22,65 кг/м ²). Поскольку формула эмпирическая, то она применима только в указанных пределах измененич параметров.

Обычно скорость сушильного агента в слое 0,2 - 0,3 м/с. Габаритные размеры шахты определяются её вместимостью G (d ru), которая зависит от заданной производительности установки G _t (в кг/ч) и рассчитанной продолжительности сушки (в ч.).

G _з= G _t /t.

В зависимости от насыпной плотности слоя r _сл определяется объем зерна в сушильной камере шахты

V_з = G_з / r_сл.

Общий объем шахты V _с.к.определяется суммой объема всех коробов и после расчета по общей методике количества испаренной влаги U (в кг/ч) определяется напряжение объема сушильной камеры по влаге (в кг влаги /(м ³ ч))

A _v = U / V_с.к.

Величина А _v обычно определяется экспериментально. Для шахтных зерносушилок А _v = 50 кг/(м³ ч), а с учетом объема зоны охлаждения А _v = 35 кг/(м³ ч). Для пневмотруб величина А _v достигает значений 200 - 800 / 18 /.

Для барабанных сушилок при типичных режимах сушки пищевых продуктов ее значения приведены в таблице / 29, стр. 90 /:

Материал	Значение А _v, в кг вл./ (м³ ч)	Устройство насадки внутри барабана
Жом свекловичный		Распределительная система
Зерно (пшеница)	20 - 30	Распределительная система
Мезга кукурузная	40 -50	Распределительная система
Сахар-песок	8 - 9	Подъемно-лопастная система
Соль поваренная		Подъемно-лопастная система

⇐ Предыдущая 5 6 7 8 91011 12 13 14 Следующая ⇒