Варіанти організації сушильного процесу

               5.7. Варіанти організації сушильного процесу

        5.7.1. Проста сушильна установка. У найпростішому випадку (рис.5.7,а) сушильна установка складається з повітренагрівача (калорифера) 2 або топки з камерою змішування для отримання газової суміші необхідної температури і сушильної камери 3, в якій безперервний потік висушуваного матеріалу контактує з потоком нагрітого повітря (газів). Повітря нагнітається (чи відсмоктується) в калорифер вентилятором 1, проходить через сушильну камеру і виходить в атмосферу. Кількість тепла, яка необхідна для висушування матеріалу, може бути надана повітрю повністю в зовнішньому калорифері 2. Проте, якщо це пов'язано з необхідністю нагрівання повітря до неприпустимо високої температури, то необхідна кількість тепла надається  повітрю частково в зовнішньому   калорифері 2 і частково в додатковому калорифері 4, розміщеному безпосередньо в самій сушильній камері, де його температура у міру витрачання тепла на сушіння матеріалу поступово знижується.

       Позначимо параметри повітря до і після калорифера відповідно через  і  а після сушарної камери - через

Рис.5.7. Проста сушильна установка

а – схема установки, б -  I - d діаграма теоретичної сушарки;

1 – вентилятор, 2 – основний калорифер, 3 – сушильна камера, 4 – додатковий калорифер.

       Процес в ідеальній або теоретичній сушарці (див. розд.5.3) протікає при постійному тепловмісті робочого повітря. У цьому випадку тепло, що віддається повітрям, витрачається тільки на випаровування вологи, а пари, що утворилися, поглинаються тим же повітрям. На рис.5.7,б процес в ідеальній сушарці зображений на I - d - діаграмі. Тут нагрівання повітря в калорифері, що протікає при d = const, представлене вертикальною прямою AB, причому точки А () і В () відповідають станам повітря на вході в калорифер і виході з нього.

        У сушильній камері процес протікає при I = const, тому він зобразиться похилою прямою ВС, причому точка С відповідає стану відпрацьованого (на виході з сушильної камери) повітря (). Абсолютно очевидно, що точка С може гранично лежати на кривій , оскільки нижче за неї розташовується область часткової конденсації пари з вологого повітря. Відрізок CD на діаграмі виражає в масштабі останньої різницю , тому питома витрата повітря виразиться наступним чином: , де DC виражене в мм, a М_d - масштаб вологовмісту, кг/мм.

Відрізок AB виражає в масштабі різницю тепловмісту I₁ - I₀, тобто витрату тепла в зовнішньому калорифері на нагрівання вологого повітря, що містить 1 кг абсолютно сухого повітря. Отже, витрата тепла на видалення 1 кг вологи в ідеальній (теоретичній) сушарці буде

де M₁ - масштаб тепловмісту; m=M_i/M_d - загальний масштаб, вказаний на діаграмі.

       Таким чином, за допомогою I - d –діаграми  можливий дуже зручний і простий графоаналітичний розрахунок витрат повітря і тепла на висушування матеріалів, який може бути застосованим не лише до ідеальної, але і до реальної сушарки. У останньому випадку , додаткове підведення тепла q_д в сушильну камеру не є обов'язковим, але втрати тепла q_м, q_вт і q_т неминучі. Тут практично можливі три випадки: внутрішній тепловий баланс сушильної камери (див. розд. 5.6)  ,  і .

       У першому випадку () втрати тепла компенсуються додатковим підведенням тепла в сушильну камеру (q_д) і тепловмістом вологи в початковому матеріалі (), тобто

.

Але оскільки  і , розрахунок процесу залишається таким же, як і для ідеальної сушарки.

       У другому випадку  і .  Для розрахунку цього процесу також зручно скористатися I - d - діаграмою, в якій заздалегідь побудований ідеальний процес, представлений ламаною лінією  (рис.5.8,а).

Рис.5.8. Діаграма I - d реальної простої сушильної установки.

        Вибравши на лінії  довільну точку е, відкладемо вгору відрізок , розмір якого може бути знайдений із співвідношення (5.31) стосовно вибраної точки з координатами I, d:

звідки .

Знайшовши точку Е, проводимо через неї дійсну робочу лінію даного процесу ВС. Точка С, що характеризує стан відпрацьованого повітря, лежить на перетині робочої лінії або з кривою φ₂, або з ізотермою t₂ залежно від того, яка з цих величин задана. Цїй точці відповідає тепловміст відпрацьованого повітря I₂ > I₁.

       Описаний метод побудови зберігається також в третьому випадку  , але відрізок , як показано на рис.5.8,а, відкладається вниз від вибраної точки е. Дійсний процес зобразиться лінією BC₁, причому точці C₁ відповідає тепловміст

       Витрата тепла q на видалення 1 кг вологи при сушінні матеріалу в другому випадку  складається з кількості тепла, наданого повітрю в основному калорифері q_к, і додатково підведеного тепла в сушильну камеру q_д. Величину q_д можна визначити з рівності:

,

звідки                       .

    Із рис. 5.8,а видно, що точка F знаходиться на перетині лінії  із продовженням прямої AB.

     Вище було знайдено: . Отже, загальна кількість тепла

       Відмітимо, що при  питома витрата повітря і витрата тепла більше при сушінні в третьому випадку , ніж в другому , оскільки  або

       Викладений метод графоаналітичного розрахунку передбачає, що відомі початковий стан нагрітого повітря (точка В) і його відносна вологість φ₂ або температуру t₂ на виході з сушарки. Розрахунок можливий також, якщо задані початковий стан повітря перед калорифером (точка А) і його стан на виході з сушарки (точка С або C₁). У випадку  для побудови дійсного процесу в I - d -діаграмі (рис.5.8,б) необхідно відкласти вниз величину , і з кінця цього відрізку (точка C₀) провести лінію  до перетину з вертикаллю . Точка перетину B відповідає необхідним параметрам повітря перед сушильною камерою. При  із заданої точки C₁ відкладають вгору відрізок , і з його кінцевої точки C₀ проводять лінію  до перетину з вертикаллю  .

       5.7.2. Багатозональна сушарка з проміжним підігріванням повітря між зонами. Вище було відмічено, що кількість тепла q, потрібного для висушування матеріалу, можна надати повітрю частково в калорифері (q_к) і частково в самій сушильній камері (q_д), тобто . Очевидно, зі зменшенням q_к падатиме температура повітря при вході в сушильну камеру, що дуже важливо при сушінні термочутливих матеріалів. Значне пониження температури робочого повітря досягається в багатозональній сушарці з проміжним підігріванням (рис.5.9). Остання складається з декількох послідовно розташованих зон (як, наприклад, в багатоярусній стрічковій сушарці), що омиваються загальним потоком повітря, який нагрівається до допустимої температури перед входом в кожну зону. Ідеальний процес в такій трьохзональній сушарці зобразиться в I - d -діаграмі (рис.5.9,б) ламаною лінією , де лінії   і  відповідають нагріванню повітря в калориферах перед кожною зоною, а лінії , - зміні стану повітря в окремих зонах. При початковому і кінцевому вологовмісті повітря, рівних  і , питома витрата повітря складе  і питома витрата тепла буде:

Легко бачити, що при тих же параметрах початкового і відпрацьоваоного повітря (точки А і С) ідеальний процес в однозональный (простій) сушарці зобразиться ламаною ABC, тобто він протікатиме при тих же питомих витратах тепла q_к і повітря l. Проте в однозональній сушарці потрібно було б

Рис.5.9. Багатозональна сушарка з проміжним підігріванням повітря між зонами:

 а - схема сушарки; б - діаграма I – d,

1-3 - сушильні камери; 4-6 - калорифери; 7,8 - вхід і вихід повітря.

нагрівати повітря до значно вищої температури t₁ ніж в трьохзональній .

       Для побудови дійсного процесу необхідно знайти для кожної з трьох зон значення ,  і . Знаючи величину  для усього сушильного апарату, можна з достатньою точністю прийняти, що ця величина розподіляється між зонами пропорційно кількостям вологи, що випаровується в них:

або

       Відклавши вгору (відповідно  або ) із точок  відрізки, рівні ,  і , проводимо зі знайдених точок  прямі  до перетину з відповідними вертикалями ,  , . З'єднавши точки  відповідно з точками , отримуємо ламану лінію , що зображує дійсний процес в трьохзональній сушарці з проміжним підігріванням повітря між зонами. Відмітимо, що в цьому прикладі температури повітря перед зонами не рівні між собою і дещо перевищують температуру, прийняту для ідеального процесу.

       Приведена побудова виконана стосовно заданих температур повітря не лише при вході в кожну зону (t’₁), але і при виході з них (t₂). Якщо рівень температури t’₁ обумовлений властивостями висушуваного матеріалу, то вибір температури t₂ можливий в широких межах, обмежених лише знизу кривою . Більше того, температура t₂ може бути різною для різних зон, число яких, як видно з діаграми, збільшується з підвищенням t₂. Можна, нарешті, базуватися не на температурі t₂, а на бажаній відносній вологості повітря після кожної зони. Відмітимо також, що виходячи з кінетики процессу, кількість випаровуваної вологи в кожній зоні може бути неоднаковою, і тоді в I - d -диаграмі зони матимуть різну протяжність . Для усіх варіантів, проте, при однакових значеннях  і  витрати повітря і тепла залишаються однаковими.

       5.7.3. Сушарка з рециркуляцією відпрацьованого повітря. Особливість цього варіанту сушильного процесу полягає в тому, що лише частина відпрацьованого повітря викидається в атмосферу, а інша частина змішується з потоком свіжого повітря; утворена суміш після нагрівання в калорифері поступає в сушильну камеру (рис.5.10,а). Зберігаючи прийняті вище позначення параметрів свіжого () і відпрацьованого () повітря, позначимо через  параметри суміші свіжого і відпрацьованого повітря. Якщо на 1 кг сухої частини свіжого повітря в сушарку повертається n кг сухої частини відпрацьованого повітря, то

і

 , звідки

.                            (а)

Рівняння (а) описує в I - d - діаграмі (рис.5.10, a) пряму лінію, що проходить через точки А і С. Кожна точка на цій прямій виражає стан суміші при певному кількісному співвідношенні свіжого і відпрацьованого повітря. У довільній точці M цієї прямої склад суміші характеризується співвідношеннями:

або

       У I - d -діаграмі ідеальний процес сушіння зображається ламаною лінією , побудованою або по заданих точках А, С і М, або по точках А, С і

B₁ (якщо задана бажана температура t₁ повітряної суміші перед входом в сушильну камеру). При цьому відрізок AM зображує процес               змішування свіжого повітря з відпрацьованим, MB₁ -  нагрівання суміші  в калорифері до температури t₁, B₁C - процес в сушильній камері.

Рис.5.10. Сушарки з рециркуляцією відпрацьованого повітря :

а - сушарка з частковою рециркуляцією відпрацьованого повітря; б - сушарка із замкнутим  циркуляційним циклом: 1 – вентилятор, 2 - калорифер; 3 - сушильна камера;   4 – холодильник-конденсатор; 5 - поверхня охолодження; 6 - вихід конденсату; 7 - вхід вологого матеріалу; 8 - вихід висушеного матеріалу; 9 - повернення відпрацьованого повітря; 10 – вхід свіжого повітря; 11 - вихід повітря в атмосферу.

       Дійсний процес сушіння зобразиться ламаною лінією  при збереженні заданого значення d₂ або лінією  при збереженні заданої температури t₂. Напрям лінії  визначається, як відомо, відрізком . Для першого з даних варіантів величина n зберігає те ж значення, що і в ідеальному процесі, а для другого варіанту , тобто дещо більше. Питомі витрати свіжого повітря і тепла виразяться так:

у першому випадку          , ;

у другому випадку            , .

  Питома кількість циркулюючого повітря в сушарці складає:

.

  Сушарка з рециркуляцією частини відпрацьованого повітря, як видно з останнього вираження, вимагає застосування вентилятора більшої продуктивності і, отже, більшої витрати енергії ніж раніше розглянуті сушарки. Її перевагами є підвищена вологість робочого повітря і менші температурні перепади між повітрям і матеріалом, що дуже істотно для ряду матеріалів.

       У хімічній промисловості не рідкісні випадки, коли висушуваний матеріал не допускає контакту з киснем повітря. У цих випадках сушильним агентом служить якийсь інертний газ (найчастіше азот). Оскільки викид останнього в атмосферу економічно недоцільний, то процес сушіння проводять в режимі замкнутого циркуляційного циклу (рис.5.10,б). В цьому випадку увесь вологий газ після сушильної камери проходить через холодильник-конденсатор, де частина пари, що міститься в ньому,  конденсується, знову засмоктується вентилятором, нагнітається через калорифер в сушильну камеру і т. д. В холодильнику-конденсаторі вологий газ спочатку охолоджується при  до температури точки роси (пряма CE на I - d -діаграмі), після чого відбувається конденсація пари при пониженні температури по лінії насичення (крива EA). Діаграма дійсного процесу будується так само, як і для простої сушарки.

  5.7.4. Багатозональна сушарка з проміжним підігріванням і рециркуляцією повітря в кожній зоні. Ще більше підвищення вологості робочого повітря і нижчі перепади температур в сушильній камері досягаються в багатозональних сушарках з проміжним підігріванням і рециркуляцією частини відпрацьованого повітря в кожній зоні (рис.5.11). Тут відпрацьоване повітря після кожної зони розгалужується на два потоки, один з яких повертається після підігрівання в ту ж зону, а другий після нагрівання в калорифері наступної зони направляється в цю зону. З останньої зони частина відпрацьованого повітря викидається в атмосферу і замість неї в першу зону засмоктується така ж кількість (по масі абсолютно сухої частини) свіжого повітря.

   Робочий процесс сушарки на I - d -діаграмі (рис.5.11,б) будується для кожної зони, як для однозональної сушарки з рециркуляцією частини відпрацьованого повітря. Відмітимо, що і в даному випадку при фіксованих параметрах повітря до і після сушарної камери питомі витрати повітря l і тепла q залишаються такими ж, як і для простої сушарки. Іншими словами, при збереженні вхідних і вихідних параметрів повітря величини l  і q не залежать від варіанту сушильного процесу.

Рис.5.11. Багатозональна сушарка з проміжним підігрівом і рециркуляцією частини відпрацьованого повітря в кожній зоні: а - схема сушарки : 1 - вхід повітря; 2 - вхід матеріалу; б - діаграма I - d.

       5.7.5. Сушка топковими газами. Калорифери сушильних установок зазвичай обігріваються водяною парою, що конденсується, з тиском, що рідко перевищує 0,8-1 МПа, і відповідною температурою 170-180 °С. Отже, в таких умовах не можна нагріти повітря вище 150-160 °С. Між тим, з підвищенням температури сушильного агента збільшується не лише його вологоємність, але й інтенсивність випаровування вологи. Тому в промисловості все ширше застосовують в якості сушильного агента відпрацьовані гази пічних установок,  а також топкові гази, розбавлені до бажаної температури атмосферним повітрям. При цьому, залежно від термостійкості висушуваних матеріалів, початкова температура газів досягає на практиці 600-700 °С, таким чином відпадає потреба в калориферах.

Рис.5.12. Установка для отримання суміші топкових газів і повітря

а – схема установки; б – діаграма I – d; 1 – топка; 2 – камера змішування; 3 – вхід первинного повітря; 4 – вхід вторинного повітря; 5 – газова суміш для сушки.

  Для теплового розрахунку сушарки, що працює на топкових газах, отриманих в результаті розбавлення продуктів згорання палива атмосферним повітрям, можна користуватися I - d діаграмою, оскільки фізичні властивості даних газових сумішей і повітря розрізняються дуже незначним чином. Необхідно лише заздалегідь визначити початкові вологовміст (d₁) і тепловміст (I₁) топкових газів за відомими з теплотехніки формулами горіння.

       Для отримання газової суміші необхідної температури t₁ топкові гази розбавляють атмосферним повітрям з параметрами . Потрібна при цьому кількість повітря визначається за допомогою I - d -діаграми (рис. 5.12, б). З'єднавши точки з координатами  і , знаходимо на перетині прямої AE з ізотермою t₁ (де t₁ –необхідна температура газової суміші) точку В, відповідну параметрам  газової суміші (аналогічно процесу змішування свіжого повітря з рециркулюючим). Координати точок A, B і E знаходяться в співвідношенні  , причому масове співвідношення кількостей топкових газів і свіжого повітря дорівнює . Надалі діаграма сушильного процесу будується описаними вище методами.

Скачано с www.znanio.ru