Расчет барабанной сушилки

 

Продолжительность процесса сушки. В сушилках периодического действия сушка является нестационарным процессом: влажность материала в процессе сушки изменяется в пространстве (по сечению и толщине материала) и во времени. Соответственно скорость уменьшения влажности материала может быть выражена наиболее общим дифференциальным уравнением вла-гообмена

(XXX)

где и — операторы Лапласа соответственно для влажности и температуры, выражающие сумму вторых производных данной переменной (влажности или температуры) по осям координат.

 

Для материала в виде плоских  пластин можно принять, что влага  перемещается в нем только в одном  направлении (например, по оси х), т. е. свести уравнение к одномерной задаче. С целью дальнейшего упрощения решения можно принять также, что коэффициент влагопроводности не зависит от влажности материала (k_вн = const) и пренебречь термовлагопроводностью для конвективной сушки. Тогда уравнение (XXX) значительно упростится:

(XXXI)

Дифференциальное уравнение (XXXI) можно решить, зная закон распределения влажности в материале в начале сушки (начальное условие) и выражение для плотности потока влаги с поверх-ности материала в окружающую среду (граничное условие). При задании указанных краевых условий (для каждого из двух периодов сушки) уравнение (XXXI) может быть проинтегрировано.

В периоде постоянной скорости сушки влагу можно считать  равномерно распределенной по сечению материала, т. е. при τ = 0 величина ω^c = const. Кроме того, для этого периода коэффи-циент влагопроводности k_вн и интенсивность испарения влаги с поверхности материала т также являются постоянными. Интегрируя уравнение (XXXI) для этих условий и заменяя влажность ω^c, выраженную в кг/кг сухого вещества, влажностью ω, выраженной в %, получают следующее выражение для скорости сушки в первый период:

(XXXII)

где m — интенсивность сушки, которая может быть определена по уравнению (XXII); G_св — масса абсолютно сухого материала; F — поверхность испарения; ω₁ и ω_Kl — начальная влажность и первая критическая влажность материала соответственно; τ_К1 — продолжительность сушки за весь первый период при изменении влажности от ω₁ до ω_Kl.

Полученное уравнение  является уравнением прямой ВС на кривой сушки (рис.7). Из него определяется продолжительность сушки за первый период

(XXXIII)

или при сушке до некоторой  конечной влажности ω₂ < ω_К1 имеем

(XXXIII,a)

Для периода падающей скорости расчет скорости сушки значительно  усложняется вследствие сложной  и различной конфигурации кривых скорости сушки (рис.9). Продолжительность сушки в этот период может быть определена приближенно с помощью коэффициента скорости сушки K_с.

Для расчета K_с используют экспериментальную кривую скорости сушки данного материала, заменяя в ней криволинейный отрезок (соответствующий второму периоду сушки) наклонной пря-мой, проводимой из точки ω_p до горизонтального прямолинейного участка, отвечающего периоду постоянной скорости (пунктирная линия на рис.9,а). Верхний конец этой прямой соответствует приведенной критической влажности ω_к.п, которой заменяют в первом приближении истин-ную первую критическую влажность ω_К1.

При этом уравнение кривой скорости сушки для второго периода  может быть представлено в виде

 

где — коэффициент скорости сушки (N — скорость сушки в первый период).

 

В результате интегрирования этого уравнения в пределах от ω_к.п до ω₂ (конечная влажность материала после сушки) получаем

 

откуда продолжительность  сушки за второй период определяется по уравнению

(XXXIV)

Общая продолжительность  сушки составляет:

(XXXV)

Метод расчета продолжительности  сушки с использованием коэффициента скорости сушки K_с, предложенный А. В. Лыковым, наиболее распространен. Его достоинство состоит в том, что этим методом приближенно учитываются реальные условия сушки, протекающей во втором периоде при переменном режиме. Более точно изменение состояния сушильного агента в процессе сушки и изменение коэффициента влагопроводности с изменением влажности материала можно учесть, разбивая второй период сушки на несколько этапов и суммируя их продолжительности (рассчитанные тем же методом) для определения времени сушки за весь период.

Предложены также другие приближенные эмпирические уравнения, которые позволяют с той или  иной степенью точности рассчитать продолжительность  сушки. Их общий недостаток состоит в том, что эти уравнения пригодны только для тех материалов и условий, для которых они были получены. Следует учитывать также, что использование для расчета процесса сушки эксперимен-тальных данных, полученных для лабораторных образцов, также должно привести к значитель-ным погрешностям при определении продолжительности сушки того же материала в промышлен-ных сушилках. В связи с этим для расчета продолжительности процесса сушки наиболее надежно использовать нормативы, разрабатываемые на основе статистических опытных данных для конкретных материалов и режимов   сушки.

Во многих случаях, учитывая сложность определения скорости и продолжительности сушки в  различные периоды процесса, рабочий  объем конвективных сушилок V_р находят приближенно, пользуясь средней опытной величиной напряжения объема сушилки по влаге А [в кг/(м³·ч)] — параметром, выражающим количество влаги, удаляемой при подобных условиях в единице объема сушильной камеры. При этом рабочий объем сушилки определяется простой зависимостью

(XXXV)

где W — общее количество влаги, удаляемой за весь процесс сушки.

Для некоторых конвективных сушилок (например, ленточных) при расчете  размеров рабочей части, на которой  располагается материал (например, ленты или другого транспортирующего  устройства), часто используют напряжение соответствующей поверхности по влаге А или напряжение по высушиваемому материалу A'. Для определения поверхности нагрева контактных сушилок также применяют величину напряжения поверхности сушилки по влаге А.

 

Устройство сушилок

 

Конструкции сушилок очень  разнообразны и отличаются по ряду признаков: по способу под-вода тепла (конвективные, контактные и др.), по виду используемого теплоносителя (воздушные, газовые, паровые), по величине давления в сушильной камере (атмосферные  и вакуумные), по спо-собу организации процесса (периодические и непрерывные), а также по взаимному направлению движения материала и сушильного агента в конвективных сушилках (прямоток, противоток, пере-крестный ток). Это крайне затрудняет обобщающую классификацию сушилок. Ниже мы ограни-чимся рассмотрением групп сушилок, которые находят применение (или перспективны для приме-нения) в химической технологии, объединенных по способу подвода тепла и состоянию слоя вы-сушиваемого материала (неподвижный, перемешиваемый и т. д.).

 

Камерные  сушилки.

 

Рис.11 Камерная сушилка:

1 — сушильная камера; 2 — вагонетки; 3—козырьки; 4, 6, 7 — калориферы; 5 — вентилятор; 8 — шибер.

 

 Эти сушилки являются  аппаратами периодического действия, работающими при атмосфер-ном давлении. Они используются в производствах небольшого масштаба для материалов, допуска-ющих невысокую температуру сушки, например красителей. Материал в этих сушилках сушится на лотках (противнях), установленных на стеллажах или вагонетках, находящихся внутри суши-льной камеры 1 (рис.11 Камерная сушилка). На каркасе камеры между вагонетками 2 установлены козырьки 3, которые как бы делят пространство камеры на три расположенные друг над другом зоны, вдоль которых последовательно движется сушильный агент. Свежий воздух, нагретый в наружном калорифере 4, засасывается вентилятором 5 и подается вниз камеры сушилки. Здесь он движется (путь воздуха показан на рисунке стрелками), два раза меняя направ-ление и дважды нагреваясь в промежуточных калориферах 6 и 7. Часть отработанного воздуха с помощью шибера 8 направляется на смешение со свежим. Таким образом, сушилка работает с промежуточным подогревом и частичной рециркуляцией воздуха, т. е. по варианту, обеспечиваю-щему низкую температуру и более мягкие условия сушки.

Однако, вследствие сушки  в неподвижном толстом слое, сушилки  этого типа обладают низкой производительностью  и продолжительность сушки в  них велика. Кроме того, сушка  в них нерав-номерна из-за неравномерности температур в камере, возникающей за счет частичного прохода воздуха в вышерасположенные зоны кратчайшим путем (через зазоры). Для создания более равно-мерной циркуляции воздуха в некоторых современных конструкциях камерных сушилок наруж-ный вентилятор заменяют внутренними реверсивными осевыми вентиляторами или применяют эжекторы. В эжекционных камерных сушилках рециркулирующий отработанный воздух подсасы-вается свежим, что позволяет уменьшить расход электроэнергии на циркуляцию. Обслуживание камерных сушилок требует больших затрат ручного труда, что также является существенным недостатком.

Туннельные  сушилки.

Эти сушилки (рис.12 Туннельная сушилка) отличаются от камерных тем, что  в них соединен-ные друг с другом вагонетки медленно перемещаются на рельсах вдоль очень длинной камеры прямоугольного сечения (коридора). На входе и выходе коридор имеет герметичные двери, кото-рые одновременно периодически открываются для загрузки и выгрузки материала: вагонетка с высушенным материалом удаляется из камеры, а с противоположного конца в нее поступает новая вагонетка с влажным материалом. Перемещение вагонеток производится с помощью троса и меха-нической лебедки. Сушильный агент движется прямотоком или противотоком к высушиваемому материалу.

Туннельные сушилки обычно работают с частичной рециркуляцией  сушильного агента, и они используются для сушки больших количеств  штучных материалов, например керамических изде-лий. По интенсивности сушки туннельные сушилки мало отличаются от камерных: им присущи основные недостатки последних (длительная и неравномерная сушка, ручное обслуживание).

 

Рис.12 Туннельная сушилка:

1 —  камера; 2 — вагонетки; 3 — вентиляторы; 4 — калориферы.

 

Ленточные сушилки.

 

В этих сушилках сушка материалов производится непрерывно при атмосферном  давлении. В камере 1 сушилки (рис.13 Ленточная сушилка) слой высушиваемого материала движется на бесконечной ленте 2, натянутой между ведущим 3 и ведомым 4 барабанами. Влажный материал подается на один конец ленты, а подсушенный удаляется с другого конца. Сушка осуществляется горячим воздухом или топочными газами, которые движутся противотоком или перекрестным током к направлению движения материала.

В одноленточных сушилках со сплошной лентой обычно наблюдается неравномерное высу-шивание материала: во внутренней части слоя, обращенной к ленте, конечная влажность выше, чем в его наружной части, омываемой газами или воздухом.

Более эффективно применение многоленточных сушилок с лентами  из металлической сетки. В них  сушильный агент движется перпендикулярно  плоскости ленты сквозь находящийся  на ней слой материала (перекрестный ток). При пересыпании материала  с ленты на ленту увеличивается  поверхность его соприкосновения  с сушильным агентом, что способствует возрастанию скорости и равномерности  сушки. Ленточные сушилки могут  работать по различным вариантам  сушильно-го процесса.

Ленточные сушилки громоздки (подобно туннельным сушилкам) и  сложны в обслуживании главным образом  из-за перекосов и растяжения лент; их удельная производительность (на 1л² поверхности ленты) невелика, а удельные расходы тепла (на 1 кг испаренной влаги) довольно высоки. Кроме того, они непригодны для сушки пастообразных материалов, поэтому для этой цели их используют в комбинации с вальцовыми сушилками.

 

 

Рис.13 Ленточная сушилка:

1 — камера  сушилки; 2 — бесконечная лента; 3 — ведущие барабаны; 4 — ведомые  барабаны; 5 — калорифер;

6 — питатель; 7 — опорные ролики.

 

Барабанная  сушилка.

 

Эта сушилка широко применяется  для непрерывной сушки при  атмосферном давлении кусковых, зернистых и сыпучих материалов (минеральных солей, фосфоритов и др.).

Барабанная сушилка (рис.14 Барабанная сушилка) имеет цилиндрический барабан 1, установленный с небольшим наклоном к горизонту (1/15—1/50) и опирающийся с помощью бандажей 2 на ролики 3. Барабан приводится во вращение электродвигателем через зубчатую передачу 4 и редуктор. Число оборотов барабана обычно не превышает 5—8 мин^-1, положение его в осевом направлении фиксируется упорными роликами 5. Материал подается в барабан питателем 6, предварительно подсушивается, перемешиваясь лопастями 7 приемно-винтовой насадки, а затем поступает на внутреннюю насадку, расположенную вдоль почти всей длины барабана. Насадка обеспечивает равномерное распределение и хорошее перемешивание материала по сечению барабана, а также его тесное соприкосновение при пересыпании с сушильным агентом — топочными газами. Газы материал особенно часто движутся прямотоком, что помогает избежать перегрева материала, так как в этом случае наиболее горячие газы соприкасаются с материалом, имеющим наибольшую влажность. Чтобы избежать усиленного уноса пыли с газами последние просасываются через барабан вентилятором 8 со средней скоростью, не превышающей 2— 3 м/сек. Перед выбросом в атмосферу отработанные газы очищаются от пыли в циклоне 9. На концах барабана часто устанавливают уплотнительные устройства (например, лабиринтные), затрудняющие утечку сушильного агента.