автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Аэродинамика и сушка дисперсных материалов в вихревой камере спирально-вихревых сушилок

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ

На правах рукописи

НГУЕН ТРОНГ ЗАНЬ

АЭРОДИНАМИКА И СУШКА ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ВИХРЕВОЙ КАМЕРЕ СПИРАЛЬНО-ВИХРЕВЫХ СУШИЛОК

05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Московском государственном университете инженерной экологии.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Тимонин Александр Семенович.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Фокин Александр Павлович; кандидат технических наук, доцент Юрченко Владимир Авраамович.

Ведущее предприятие - АО «НИИХиммаш», г. Москва.

Защита диссертации состоится «2 % _А_ 2- 199 2 г в

«УУ» часов в аудитории Л-27 на заседании диссертационного совета по присуждению ученой степени кандидата технических наук К063.44.04 при Московском государственном университете инженерной экологии по адресу: 107884, ГСП, г.Москва, Б-66, ул. Старая Басманная, д.21/4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 199 б г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент

Г.Я. Рудов

Актуальность темы. Сушка является заключительной стадией многих технологических процессов в химической, пищевой, химико-фармацевтической, микробиологической и других отраслях промышленности, поэтому во многом определяет качество готового продукта. К тому же процесс сушки является весьма энергоемким, поэтому создание энергосберегающих и экологически безопасных технологических схем сушки и оборудования является актуальной проблемой.

Повышение эффективности сушки и снижение объемов выброса отработанного сушильного агента связано с интенсивностью процесса. Одним из перспективных направлений интенсификации процесса сушки дисперсных материалов является использование спирально-вихревых аппаратов, сочетающих активные гидродинамические режимы, эффективность разделения сушильного агента и продуктов уноса, компактность, простоту монтажа и обслуживания.

Для сушки дисперсных материалов, содержащих свободную и связанную влагу, используют в основном комбинированные спирально-вихревые сушилки, имеющие спиральный канал, вихревую камеру. Однако широкое распространение данных аппаратов в промышленности сдерживается отсутствием надежных методик расчета. Основную трудность . при разработке методик расчета вызывает отсутствие зависимости для расчета удерживающей способности, гидравлического сопротивления вихревой камеры, времени пребывания и скорости движения твердой фазы в вихревой камере и кинетических коэффициентов для расчета тепло- и массообмена.

Поэтому исследование аэродинамики и сушки дисперсных материалов в вихревых камерах спирально-вихревых сушилок и создание методик их расчета является актуальной задачей.

Данная работа выполнялась в рамках межвузовской научно-технической программы «Общая и техническая химия», раздел

«Теоретические основы химической технологии», проект «Разработка высокоинтенсивных и энергосберегающих спирально-вихревых аппаратов для сушки дисперсных материалов», выполняемый в 1996-1998 годах.

Цель работы. Проведение комплексных исследований движения дисперсного материала и тепло- и массобмена в вихревой камере с элементами регулирования, включающих в себя определение гидравлического сопротивления вихревой камеры, исследование удерживающей способности и критической скорости транспортирования твердой фазы, определение коэффициентов тепло- и массоотдачи, создание методики инженерного расчета вихревых камер с элементами регулирования, обоснование применимости спирально-вихревых сушилок для термообработки различных материалов.

Научная новизна. На основе проведенных исследований разработана математическая модель движения твердой фазы в вихревой камере, имеющей элементы регулирования, установлены зависимости для определения удерживающей способности, критической скорости транспортирования твердой фазы и гидравлического сопротивления вихревой камеры, уравнения для определения эффективных значений коэффициентов тепло- и массоотдачи.

Практическая значимость и реализация работы. На

основе проведенных исследований:

■ разработана методика расчета гидродинамических параметров потока газовзвеси и кинетических характеристик процесса сушки;

■ проведено обоснование использования различных конструкций спирально-вихревых аппаратов для сушки

дисперсных материалов, содержащих свободную и связанную влагу;

0 разработана технологическая схема сушки неочищенного риса на базе спирально-вихревой сушилки.

Автор защищает:

И математическую модель движения твердой фазы в вихревой камере спирально-вихревых сушилок, имеющих элементы регулирования;

И зависимости для расчета удерживающей способности и критической скорости транспортирования твердой фазы в вихревой камере;

□ зависимости для расчета коэффициента гидравлического сопротивления нагруженной и ненагрулсениой вихревой камеры и зависимость для расчета коэффициента Гастерштадта для вихревой камеры;

ЕЗ зависимости для расчета эффективных значений коэффициентов тепло- и массоотдачи при сушке дисперсных материалов в вихревой камере.

Аппробацня работы. Основные результаты диссертации обсуждались на 47-ой научно-технической конференции МГУИЭ в 1997 году.

Публикации. По результатам исследований опубликовано две научных статьи.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и приложений на 129 страницах машинописного текста, содержит 23 рисунка, 1

таблицу. Список цитируемой литературы включает 170 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ по обоснованию способа сушки дисперсных материалов в различных аппаратах с активными гидродинамическими режимами,

проанализированы основные тенденции интенсификации процесса конвективной сушки. Установлено, что одним из эффективных способов интенсификации теплообмена является использование закрученных потоков движения фаз.

При движении газовзвеси в аппаратах с закрученными потоками происходит непрерывное взаимодействие частиц друг с другом, со стенками и регулирующими элементами в виде подпорной кольцевой перегородки и переливного порожка, что приводит к увеличению относительной скорости движения взаимодействующих фаз, удерживающей способности и времени пребывания твердой фазы в вихревой камере.

Проанализированы основные методы расчета гидравлического сопротивления в вихревых камерах при движении чистого газа и газовзвеси. Сделан вывод, что одной из основных характеристик вихревых камер является удерживающая способность по твердой фазе, характеризуемая отношением массы материала, находящегося в камере, к массе находящегося в ней сушильного агента. Данная характеристика позволяет легко установить фактическое время пребывания материала в аппарате.

Проанализированы основные виды математических моделей, описывающих движение твердой фазы в вихревых камерах. Отмечено, что многие из них не учитывают влияние

4

регулирующих элементов на скорость движения твердой фазы в вихревой камере.

На основе проведенного анализа сделан вывод, что наиболее рационально для характеристики кинетики процесса сушки в вихревых камерах использовать эффективные значения коэффициентов тепло- и массоотдачи.

На основании проведенного обзора сформулированы основные задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке математической модели движения дисперсного материала в вихревой камере, имеющей элементы регулирования удерживающей способности в виде подпорной кольцевой перегородки и переливного порожка.

Основными допущения при разработке математической модели являются:

□ описание строится для одиночной шарообразной частицы;

□ учет влияния стесненности потока, взаимодействия частиц друг с другом, а также со стенками аппарата учитывается через комплексный коэффициент торможения.

В результате проведенных исследований установлено, что радиальная составляющая скорости газового потока

удовлетворительно описывается уравнением

^ = (1)

V

а касательная н'„ = „ , п п • (2)

рН - 1пЯ, :КЛ

где V - объемный расход газа через камеру, р - расстояние точки потока газа до оси камеры, Н - высота камеры, , Кх -соответственно внутренний и наружный радиусы камеры.

Для исследования движения частицы используется цилиндрическая система координат, в которой положение частицы определяется координатами р, <р иг. Неподвижная система координат хуг жестко связана с днищем камеры. Ось Ог совмещена с осью вихревой камеры, а плоскость хОу расположена в плоскости днища камеры.

Рассмотрим движение свободной частицы в потоке газа вихревой камеры, предполагая, что при входе в камер} на частицу действуют силы тяжести, Архимеда и аэродинамическая сила. Скорость частицы будет описываться уравнением

ё - + + з!, (3)

где &р - р, — рф, = г - проекции скорости точки на координатные оси.

Скорость точки потока газа, совпадающая с частицей будет равна

< = + (4)

Скорость точки потока газа относительно частицы (5):

= - * = \тЬгР + {Рн1кг1кх - 0 - *

Модуль относительной скорости газа и частицы будет иметь следующее значение

2 лНр

+ Р

+

V

рН ■ 1п Я2 /Л,

--РФ

+:

(6)

Л -

Предполагается, что аэродинамическая сила пропорциональна квадрату относительной скорости движения фаз, получим следующую систему дифференциальных уравнений движения шарообразной частицы в вихревой камере (7):

ж/"

V

\2

V

( V

-рср\ X

ЛлНр

+р

ж/3

ут(рф+2рф) = £

( V

■+р

н-

2лНр V КрН]п1{2/1\

V

рср\ +2 X

V

рныия

-РФ

ж/3

ж/"

6 ч/Г —

V

+

Г

При движении частицы в объеме вихревой камеры, она испытывает взаимодействие с другими частицами, со стенками аппарата, т.е. на частицу дополнительно будет действовать сила торможения, которая является равнодействующей многих составляющих сил. В диссертации предлагается представить данную равнодействующую силы в виде силы торможения, определяемой по следующему уравнению

Рт=-М-/А, (8)

где N - нормальная реакция стенки; /т - комплексный коэффициент торможения.

Тогда разрешив систему- уравнений (7) относительно вторых, производных, получим следующую систему уравнений, описывающую движение дисперсного материала в вихревой камере, при условии, что р = Я2, р~р-0 (9):

<р =

m'yTRz

V

J\H In ft, Rl

-R2<p\ +

IjjH^iR&f + z2

V

.2 kHR>.

V

\-7

R-JP

+ z~ -

/тЪФ3

Z = -g

64-z

У

yTj Kd y7

fTV

2 7iHR2^j{R2(pY + i2

V

\ г

.2 TtHRJ

V

RM\nR, R,

-Rjp

+ z"

fTR2z(p~ yl(R2<p)2 +22

Для определения значения коэффициента торможения fT в системе уравнений (9) используется следующее соотношение

/т = -Kq ' Ир (Ю)

Время пребывания твердой фазы в вихревой камере

определяется по следующему уравнению

q

г т =—-тг (11) Ир

На рис. 1 приведены сравнительные результаты экспериментальных данных различных авторов и расчетов по различным моделям. Как видно из рисунка, расчет по разработанной нами модели дает вполне удовлетворительные результаты, несмотря на сложность конструкции камеры и неординарность течения газовзвеси в ней.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию гидродинамики вихревой камеры, имеющей элементы регулирования. Дано описание экспериментальной установки и методик проведения экспериментов.

Большой объем экспериментальных исследований посвящен установлению зависимости удерживающей способности вихревой камеры и критической скорости транспортирования твердой фазы (без залегания на дно камеры) от параметров потока газовзвеси, конструктивных соотношений элементов вихревой камеры и физико-механических свойств дисперсного материала.

Обработка результатов экспериментов позволила получить следующую зависимость для расчета критической скорости газового потока при транспортировании дисперсного материала в вихревой камере (12):

Интервал изменения параметров варьировался в следующих пределах:

Н

Ые„ =23^550. —

в

в

Н -И,

= 0,6 * 1, гг ' = 0,4 4- 0,8 .

гГ,*/с

Рис. I. Зависимость скорости движения частиц от радиуса вихревой камеры

в - данные В.Ф. Прыгунова;

С - данные X. Рамма;

а - данные Ю.Н. Горюиова;

■ - — - расчет по ур-нию 9,

0.5 0,? 5

Мт.г

т

14 о

/оо 60 го

Г-Кц

Ян-- Яц'

ю

го

чо

60 1сГ,м/с

Рис.2. Зависимость абсолютной удерживающей способности камеры ог скорое! и газа

¿1 - /г, = 0. И = 0:' С - И, = 4 0 м м . И = 2 5 л/ .и ; А - И, = 8 0 л) л! . И = 2 5 Л( л( . I - .¡она устойчивого транспорта; И - зона образования дюн; 111 - юн а завала. Материал - кварцевый песок с/ = ]лш.

Уравнение для определения удерживающей способности вихревой камеры имеет вид (13):

UU V н > v. н

Параметры, входящие в уравнение (13) варьировались в следующих пределах:

Re ш = (5 + 27) • 103, ReB =23 + 550, Frn = 30+2350,

DBV , H~h

Кв = 0,6+1. —1- = (9,57+ 15,65)-10-. —— = 0,6-5-1, 'Лл л

H-h,

—j^ = 0,4 + 0,8 .

На рис.2 и рис.3 приведены зависимости абсолютной величины удерживающей способности камеры от скорости газа на входе в камеру и обобщенный график зависимости удерживающей способности.

В работе уделено больше внимание изучению зависимости гидравлического сопротивления вихревой камеры от параметров потока. В результате обработки экспериментальных данных получено следующее уравнение для расчета коэффициента гидравлического сопротивления камеры при движении чистого газа и наличии подпорной перегородки и переливного порожка

н—и\ ftf-V"-1,24

А„ =0,012Re^-l-™J (14)

у/ у° □

»/ л

у

3„ Ига"? о.зз .-««ЛЫМ/Н-к

Рис.3. Обобщенный график зависимости удерживающей способности камеры

Рис.4. Обобщенный график зависимости коэффициента Гастсрштадта

Для определения коэффициента Гастерштадта при движении газовзвеси получено следующее уравнение:

Кч = 0,21 Яе^1 ■ Яе^0,3• /ч*^0,42Vй . (15)

На рис.4 приведен обобщенный график зависимости коэффициента Гастерштадта Кя.

Для определения эффективных значений коэффициентов теплоотдачи и массотдачи при сушке в вихревой камере материалов, содержащих как свободную, так и связанную влагу получены следующие зависимости

№ = 1,78-10"3-Ке^21-Рг0'33 (16) 57? = 8,1 • 1СГ3 ■ Ке^42 • 5с0,33 (17)

Четвертая глава посвящена обоснованию выбора той или иной конструкции спирально-вихревой сушилки для термообработки дисперсных материалов с различными

формами связи влаги с материалом. Кроме того, приведена разработанная автором технологическая схема сушки неочищенного риса на базе спирально-вихревой сушилки. Данная технологическая линия заложена в . проект реконструкции отделения сушки пищевых растительных продуктов совместного Российско-Вьетнамского предприятия в г. Ханое.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Теоретически разработана и экспериментально подтверждена математическая модель движения дисперсного материала в вихревых камерах с элементами регулирования удерживающей способности.

2. Исследовано влияние подпорной кольцевой перегородки на удерживающую способность и гидравлическое сопротивление вихревой камеры спирально-вихревых

. сушилок. Установлено, что высота подпорной перегородки должна лежать в пределах 0,6 0,8 высоты вихревой камеры.

3. Получены зависимости для расчета удерживающей способности, коэффициентов гидравлического сопротивления и Гастерштадта в зависимости от гидродинамических параметров работы вихревой камеры. Установлен диапазон рабочих скоростей газа, исключающий залегание материала на дне камеры, а также уравнение для расчета критической скорости транспортирован ия.

4. Установлено, что определение кинетических характеристик процесса сушки рациональнее всего осуществлять через эффективные значения коэффициентов тепло- и массоотдачи. Получены уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи и массоотдачи в вихревых камерах с элементами регулирования при сушке материалов, содержащих свободную и связанную влагу.

5. На основе проведенных исследований разработаны рекомендации для использования элементов регулирования удерживающей способности вихревых камер на базе спирально-вихревой сушилки разработана высокоинтенсивная технологическая схема сушки

дисперсных материалов. Полученные в работе зависимости использованы в методике расчета вихревых камер.

с} - диаметр частицы; О - диаметр;

Н, И, /г, - соответственно высота камеры, подпорной перегородки, переливного порожка; & - скорость материала; м- - скорость газа;

^ - коэффициент аэродинамического сопротивления; Л - радиус.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ИНДЕКСЫ

АП - аппарат;

ВК - вихревая камера:

ВХ - вход;

ЭК - эквивалентный.

Ц - центробежный; В - витания; М - частицы материала;

КРИТЕРИИ (ЧИСЛА) ПОДОБИЯ

3 ■ в

ас1

Яе =

- Рейнольдса;

М/ =

- Нуссельта;

V

V

- $2 о, ß-d

Fr„ = —— - Фруда центробежный; Sh = - Шервуда; ц R-q D

3B-d

ReB =- - Рейнольдса витания.

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ:

1. Тимонин A.C., Нгуен Т.З., Муштаев В.И. и др. Спирально-вихревые аппараты - эффективное оборудование для термообработкиг дисперсных материалов. Химическое и нефтяное машиностроение, №2, 1997, с. 11-13.

2. Тимонин A.C., Пахомов A.A., Нгуен Т.З., Пак И.В. Аэродинамика частицы в вихревой камере спирально-вихревой сушилки. Труды МГАХМ, вып. 2, М., 1997, с.55-58.

Подписано в печать 03.11.98 г. Формат 60x90 1/16. Печать офсетная. Объем 1,25 п.л. Тираж 100 экз. Ззк № 1143 Отпечатано в типографии «Информпресс-94» 107066, г. Москва, ул. Старая Басманная, 21/4