Рассчитать и спроектировать сушильную установку

 

Топочные газы – это  древний греющий агент, с помощью  которого  можно получать температуру до 1000 С.

Недостатки топочных газов: трудность регулировки температур; неравномерность нагрева поверхности теплопередачи за счет того, что охлаждаются газы, которые имеют различные коэффициенты теплоотдачи; низкий коэффициенты теплоотдачи; загрязняют теплообменную аппаратуру; высокая разность температур между теплоносителями создает “жесткие” условия работы теплообменной аппаратуры.

 

1.1.2. I-х – диаграмма для влажного воздуха.

 

Основные свойства влажного воздуха можно с достаточной для технических расчетов точностью определять при помощи I-х – диаграммы, впервые разработанной Л.К. Рамзиным (рис1.1.).

 

Рис.1.1. I-х – диаграмма для влажного воздуха.

 

Диаграмма имеет угол 135⁰ между осями координат, причем на оси ординат отложены в определенном масштабе энтальпии I, а на наклонной оси абсцисс – влагосодержание х, которое для удобства пользования диаграммой, спроектированы на вспомогательную ось, перпендикулярную оси ординат. На диаграмме нанесены:

1.линии постоянного влагосодержания (х=const) – вертикальные прямые, параллельные оси ординат;

2.линии постоянной энтальпии  (I=const) – прямые, параллельные оси абсцисс, т.е. идущие под углом 135⁰ к горизонту;

3.линии постоянных  температур, или изотермы (t=const);

4.линии постоянной  относительной влажности (φ=const);

5.линия парциальных  давлений водяного пара ρ_п во влажном воздухе, значения которых отложены в масштабе на правой оси ординат диаграммы.

На диаграмме I-х по любым двум известным параметрам влажного воздуха можно найти точку, характеризующую состояние воздуха, и определить все его остальные параметры.[2]

 

1.1.3. Изображение процессов изменения состояния воздуха на диаграмме I-х.

Рис.1.2. Изменение параметров влажного воздуха на диаграмме I-x.

 

При нагревании влажного воздуха в калориферах его относительная влажность φ уменьшается, а влагосодержание х остается постоянным. Процесс нагрева воздуха изображают отрезком АВ (рис.1.2.), проводя из точки, отвечающей начальному состоянию воздуха (t_0, х₀), вертикальную линию х=const вверх до пересечения с изотермой, отвечающей температуре нагрева воздуха t₁.

Процесс охлаждения воздуха (имеющего начальную температуру t₁) при постоянном влагосодержание до его насыщения изображается вертикально, проведенной из точки В вниз до пересечения с линией φ=100% (отрезок ВС). Точка пересечения линии х=const и φ=100% характеризует состояние воздуха в результате его охлаждения при х=const и называется точкой росы.  Дальнейшее охлаждение воздуха ниже точки росы (например, до температуры t ) приводит к конденсации части влаги и к уменьшению его влагосодержания от x₀ до x . Процесс охлаждения насыщенного воздуха совпадает на диаграмме с линией =100% (отрезок СЕ).

При адиабатической сушке влага из материала будет испаряться за счёт тепла, передаваемого материалу воздухом. Т.к. образовавшаяся влага переносит с собой и тепло, которое будет затрачено на испарение, следовательно, влагосодержание воздуха не меняется. При этом температура воздуха понижается, а влагосодержание увеличивается и соответственно увеличивается относительная влажность. Такой процесс взаимодействия влажного воздуха с влажным материалом, называется процессом теоретической сушки ( const).

После достижения равновесия между влажным воздухом и испаряющейся влагой температура последней примет постоянное значение, равна температуре мокрого термометра t_м.

Разность между температурой воздуха t_в и температурой мокрого термометра t_м характеризует способность воздуха поглощать влагу из материала и носит название потенциала сушки ε:

 

ε = (t_в – t_м)                                                                                              (1.2)

 

 

 

1.1.4. Равновесие при сушке.

 

Если материал находится в контакте с влажным воздухом, то принципиально возможны два процесса:

1.сушка (десорбция влаги из материала) при парциальном давлении пара над поверхностью материала Р_м , превышающем его парциальное давление в воздухе или где Р_п, то есть при Р_м>Р_п  ;

2. увлажнение (сорбция влаги материалом) при Р_м<Р_п.

В процессе сушки Р_м уменьшается и приближается к пределу Р_м=Р_п. При этом наступает состояние динамического равновесия, которому соответствует предельная влажность материала называемая равновесной влажностью ω_р.

 Механизм процесса сушки в значительной мере определяется формой связи влаги с материалом. Различают несколько форм:

1. химически связанная влага — наиболее прочно связана с материалом и может быть удалена только при нагревании материала до высоких температур. Эта влага не может быть удалена из материала при сушке.

2. физико-химическая — объединяет два вида влаги: адсорбционно и осмотически связанную влагу.

3. физико-механическая — наиболее легко удаляется из материала, подразделяется на влагу макрокапилляров и микрокапилляров.

 

1.1.5. Кинетика сушки.

 

Удаление влаги из влажного материала, согласно основным положениям массопередачи, осуществляется следующим путем: влага из толщи влажного материала переходит к поверхности раздела фаз за счет массопроводности. Затем влага передается от поверхности раздела фаз в ядро газовой фазы за счет конвективной диффузии. Скорость процесса сушки можно выразить следующим образом: dW/dτ•F, где dW – количество влаги, которое испаряется за время dτ с поверхности раздела фаз F.

Скорость сушки влажного материала зависит от влажности материала, при этом наблюдается несколько периодов сушки:

1.период постоянной  скорости сушки. Он отличается тем, что из материала удаляется лишь свободная влага и основное сопротивление сосредоточено в газовой фазе, т.е. скорость подвода влаги в самом материале значительно больше скорости переноса влаги в газе, т.е. он описывается законами диффузии жидкости от поверхности материала к газу.

2. период падающей скорости сушки. Он наступает при достижении критического значения. Диффузионное сопротивление в газовой фазе становится соизмеримым с сопротивлением внутри материала, а в дальнейшем – значительно меньше, и скорость сушки в этот период определяется скоростью массопроводности внутри материала.

 

 

 

 

 

1.1.6. Механизм процесса сушки.

 

Сушка относится к  массообменным процессам с участием газовой и твердой фазы. К особенностям этого процесса относят нестационарность массопереноса и многообразие элементарных механизмов переноса массы в твердой фазе.

В системах с твердой  фазой основными стадиями массопереноса  является перенос во внешней фазе и внутренний перенос. Перенос массы  во внешней фазе осуществляется конвективной и молекулярной диффузией. Закономерности переноса обусловлены образованием вблизи поверхности твердой фазы диффузионного пограничного слоя толщиной (рис. 1.3), где преобладает молекулярный перенос. За границами этого слоя в переносе массы преобладает конвективная диффузия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.3. Профиль концентраций в твердой фазе и в потоке у поверхности твердого тела.

 

Молекулярный перенос характеризуется  тем, что распределяемое вещество переходит из внутренних слоев первой фазы к поверхности раздела фаз и, пройдя её, распределяется по всему объему другой фазы, которая находится в контакте с первой. Конвективная диффузия характеризуется переносом вещества движущимися частицами потока в условиях турбулентного движения фаз.

 Механизм процесса сушки  можно описать тремя стадиями:

1. перенос вещества в пределах твердой фазы;

2. перенос вещества через границу  раздела фаз;

3. перенос вещества в пределах  газообразной фазы.

  Следует отметить, что в ядре газовой фазы преобладает конвекция, которая уменьшается по мере приближения к границе раздела фаз гасит турбулентные пульсации.

 

1.1.7. Материальный баланс сушки.

 

Баланс по высушиваемому  материалу является общим для  конвективной, контактной и других видов сушки.

Тогда материальный баланс будет иметь следующий вид:

по всему материалу, подвергаемому сушке

G₁=G₁+W                                                 (1.5)

 

по абсолютно сухому веществу в высушиваемом материале

   G₁• (100 – ω₁)/100=G₂• (100 – ω₂)/100,                      (1.6)

где

G₁ – начальное количество влажного материала, кг/с;

G₂ – конечное количество высушенного материала, кг/с;

ω₁ и ω₂ – начальная и конечная влажность материала, кг/кг;

W - количество влаги, испаряемое в единицу времени, кг/с.

                 

1.1.7. Тепловой баланс конвективной сушилки.

 

Для составления теплового  баланса конвективной сушилки воспользуемся ее общей схемой, приведенной на рис. 1.4.

 

Принципиальная схема  сушки основного типа.

 

Рис.1.4. Схема сушки основного типа:

1 – калорифер; 2 – сушильная  камера.

 

При установившемся процессе сушки тепловой баланс выражается равенством:

L• I₀ + G₁•c_м•T₁ + W•с_в•T₁ + Q_k= L•I₂+ G₂•c_м•T₂ + Q_n ,                      (1.7)

где

L – расход сухого воздуха, кг/с;

I₀ – энтальпия на входе в калорифер, кДж/кг;

I₂ - энтальпия на выходе из калорифера, кДж/кг;

W – расход влаги, которая удаляется из калорифера, кг/с;

G₁ – расход влажного материала, кг/с;

G₂ – расход высушенного материала, кг/с;

Т₁ - температура влажного материала, град;

Т₂ – температура материала, уходящего из сушилки, град;

c_м - теплоемкость материала, который высушивается, Дж/кг•град;

с_в - теплоемкость влаги, Дж/кг•град;

Q_k- количество теплоты, которое получает воздух в калорифере;

Q_n – количество потерь тепла в окружающую среду.

Уравнение удельного расхода тепла:

q_k=l• (I₂ – I₀) + q_м - с_в• Т₁ + q_n ,                      (1.8)

где

q_k – удельный расход тепла калорифера, Дж/кг;

q_n –удельные потерь тепла, Дж/кг.

 

Внутренний тепловой баланс сушки.

∆ = l• (I₁ – I₂) = 1/ (x₂ – x₁)                                       (1.9)

Величина ∆ выражает разность между приходом и расходом тепла непосредственно в камере сушилки, без учета тепла, переносимого воздухом, нагретым в калорифере. Если ∆=0, то такая сушилка называется теоретической. Из уравнения (1.9) следует, что в теоретической сушилке I₂=I₁.

 

 

1.2.Основные технологические  схемы для проведения сушки.

 

При определенном сочетании  свойств сушильного агента и скорости его движения относительно материала достигается тот или иной режим сушки в конвективной сушилке. Для обеспечения заданных режимов сушки используют различные варианты процесса сушки.

 

1.2.1. Сушка основного  типа.

 

В сушилке основного  варианта (рис. 1.3) создаются жесткие  условия сушки, т.к. необходимое для испарения влаги из материала тепло подводится однократно и воздух нагревается сразу до относительно высокой температуры t₁. При нагреве в калорифере влагосодержание воздуха остается неизменным и резко падает его относительная влажность. Поэтому сушка по основной схеме происходит при значительном перепаде температур t₁-t₀, в атмосфере воздуха с малым влагосодержанием и низким значением влажности. В ряде случаев материалы требуют сушки в более мягких условиях.

Рис.1.5. Изображение сушки основного типа на диаграмме I-x.

 

1.2.2. Сушка с частичным подогревом воздуха в сушильной камере.

 

В этом процессе во внешнем калорифере К (рис. 1.3.) воздуху сообщается лишь часть тепла, а другая часть тепла передается с помощью дополнительного калорифера К₂, установленного в сушильной камере (рис 1.3.).

Рис.1.6. Изображение сушки с частичным подогревом воздуха на диаграмме I-x

 

Таким образом, достоинство этого варианта сушки в том, что в камеру сушилки подводится воздух, нагретый до более низкой температуры, чем по основной схеме сушки.

 

1.2.3. Сушка с промежуточным подогревом воздуха по зонам.

 

Сушилка состоит из ряда зон, в каждой из которых установлен дополнительный калорифер. Такой многократный подогрев воздуха в сушильной камере позволяет не только вести сушку в мягких условиях – при небольшом перепаде температур в камере и обеспечивает более гибкие условия сушки. Влагосодержание воздуха увеличивается от зоны к зоне, при этом перепад влагосодержаний в каждой зоне пропорционален относительному количеству испаренной в ней влаги.