автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Гидродинамика и тепломассообмен в сушильной установке с центробежным псевдоожиженным слоем

На правах рукописи

НАДЕЕВ Александр Александрович

ГИДРОДИНАМИКА И ТЕПЛОМАССООБМЕН В СУШИЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ С ЦЕНТРОБЕЖНЫМ ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ

05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж-2013

005545485

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образований' «Воронежский государственный технический университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Агапов Юрий Николаевич

Официальные оппоненты: Шацкий Владимир Павлович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I» / кафедра высшей математики и теоретической механики, заведующий;

Новиков Алексей Петрович, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» / кафедра электротехники, теплотехники и гидравлики, доцент

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный университет инженерных технологий»

Защита состоится 12 декабря 2013 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.037.05, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан «08 » ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Дахин Сергей Викторович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сушка разнообразных дисперсных материалов является распространенным теплотехнологическим процессом в химической, строительной и других отраслях промышленности, а также в сельском хозяйстве. Её организация связана со значительными затратами тепловой энергии, что определяет необходимость выбора наиболее рациональных способов и разработку новых современных конструкций сушильных установок.

В настоящее время одним из наиболее эффективных способов сушки дисперсных материалов является метод, основанный на использовании принципа псевдоожиженного («кипящего») слоя. Достоинства псевдоожиженного слоя отмечены в работах Н.И. Гельперина, В.Г. Айнштейна, П.Г. Романкова, А.П. Баскакова, В.Ф. Фролова и ряда других отечественных и зарубежных ученых. К ним относятся высокие значения эффективной теплопроводности и межфазного тепломассообмена, развитая поверхность взаимодействия между твердыми частицами и сушильным агентом, подвижность («текучесть») и т. д. Однако реализация непрерывных процессов сушки в псевдоожиженном слое осложнена необходимостью его перемещения вдоль газораспределительной решетки. Эта проблема может быть решена при использовании центробежного псевдоожиженного слоя, перемещающегося за счет динамического воздействия на частицы направленных потоков сушильного агента. Происходящее при этом совмещение процессов псевдоожижения и транспорта дисперсного материала, а также межфазного тепло- и массообмена позволяет повысить эффективность работы сушильных установок. Однако процессы гидродинамики и тепломассообмена в таких аппаратах изучены не в полной мере, что затрудняет разработку инженерной методики расчета. В связи с этим тема диссертации является актуальной.

Работа выполнена в рамках основного научного направления «Физико-технические проблемы энергетики», ГБ 2007.12 (№ гос. регистр. 01.2.00409970) и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, тема ФЦП 1/10 «Создание энергосберегающих систем и установок с центробежным псевдоожиженным слоем», ГК 02.740.11.0758 (№ гос. регистр. 01.2.01062243), тема «Создание энергосберегающих теплотехнологических систем и установок с высокоразвитыми поверхностями тепломассообмена» (соглашение № 14.В.37.21.1963).

Цель работы. Разработка методики инженерного расчета конструктивных и режимных характеристик сушильных установок непрерывного действия с центробежным псевдоожиженным слоем на основе теоретического и экспериментального исследования гидродинамики и тепломассообмена.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- теоретически исследовать процесс сушки дисперсных материалов в установке с центробежным псевдоожиженным слоем и получить аналитические соотношения для определения влагосодержания и температуры дисперсного материала и сушильного агента в зависимости от кинетических параметров процесса сушки;

разработать опытную сушильную установку, провести экспериментальное исследование кинетики процесса сушки и сравнить полученные данные с результатами теоретического исследования;

провести экспериментальное исследование гидродинамики и теплообмена в центробежном псевдоожиженном слое и получить эмпирические соотношения для определения порозности, гидравлического сопротивления и скорости движения центробежного псевдоожиженного слоя, а также межфазного коэффициента теплоотдачи;

- разработать методику инженерного расчета конструктивных и режимных параметров сушильных установок с центробежным псевдоожиженном слоем.

Научная новизна работы определяется следующими результатами:

1. Получены новые аналитические соотношения для определения влагосодержания и температуры дисперсного материала и сушильного агента во втором периоде в зависимости от кинетических параметров процесса сушки в центробежном псевдоожиженном слое.

2. Установлены соотношения для определения времени начала второго периода сушки и соответствующего ему критического влагосодержания, отличающиеся учетом скорости движения материала и сушильного агента.

3. Получены новые эмпирические критериальные соотношения для определения порозности, гидравлического сопротивления и скорости движения центробежного псевдоожиженного слоя, а также межфазного коэффициента теплоотдачи в нём.

4. Разработана методика инженерного расчета конструктивных и режимных характеристик сушильных установок с центробежным псевдоожиженным слоем дисперсного материала.

Практическая значимость работы. Полученные в работе теоретические и экспериментальные результаты явились научной базой для разработки методики, позволяющей осуществить инженерный расчет конструктивных и режимных характеристик сушильных установок дисперсных материалов с центробежным псевдоожиженным слоем.

Результаты проведенных исследований внедрены в практику ОАО «Квадра» - «Воронежская региональная генерация», а также используются в учебном процессе по дисциплине «Тепломассообменное оборудование предприятий» по направлению 140100.62 «Теплоэнергетика и теплотехника» в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Всероссийских научно-технических конференциях и школах молодых ученых, аспирантов и студентов «Авиакосмические технологии» (Воронеж, 2008 -2009), научно-технических конференциях молодых учёных, аспирантов и студентов «Физико-технические проблемы энергетики экологии и энергоресурсосбережения» (Воронеж, 2007 - 2012), XVII и XIX школах-семинарах молодых ученых и специалистов «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Жуковский, 2009;

Орехово-Зуево, 2013), IV Международной молодёжной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2009), IV Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ - 2011» (Москва, 2011) 13 и 14 Всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и специалистов «Энергетики и металлурги настоящему и будущему России» (Магнитогорск, 2012 - 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 2 патента РФ на полезную модель.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: [10, 13] - разработка конструкции сушильной установки и обоснование принципа её действия; [3, 8, 11] - проведение экспериментальных исследований и обработка их результатов; [2, 5] - разработка конструкции газораспределительного устройства, его экспериментальное исследование; [1, 4, 9, 16] - математическая модель тепломассообменных процессов и ее решение; [7, 12, 14, 15] - методика теоретических исследований и обработка их результатов.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка из 112 наименований, 3 приложений. Основная часть работы изложена на 145 страницах, содержит 29 рисунков и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость полученных в работе результатов.

В первой главе произведен анализ конструкций сушильных установок непрерывного действия с псевдоожиженным слоем дисперсного материала, указаны их достоинства и недостатки. Рассмотрены методы расчета процесса сушки и приведены известные критериальные соотношения для определения основных гидродинамических и тепловых параметров слоя.

На основании анализа обоснованы перспективные конструкции сушильных установок и поставлены основные задачи исследования.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию процесса взаимодействия фаз псевдоожиженного слоя в сушильной установке в периоде падающей скорости. Фазы слоя представляют собой дисперсный материал, в порах которого содержится жидкость, и сушильный агент - газ, содержащий пары этой жидкости. Предполагается, что ожижаемый материал имеет направленное перемещение и массовые расходы материала и сушильного агента постоянны во времени. Принятая в работе математическая модель процессов тепло- и массообмена между фазами псевдоожиженного слоя относится к классу макрокинетических полуэмпирических моделей. В качестве базовых уравнений модели выбраны феноменологические соотношения баланса тепла и массы для дисперсной и газовой фаз слоя, позволяющие

построить решение уравнений, используя приближенные аналитические процедуры, а также эмпирическое соотношение А.В. Лыкова, описывающее изменение влагосодержания материала в периоде падающей скорости сушки. Расчетная схема тепло- и массообмена в показана на рис. 1.

Рис. 1. Расчетная схема тепло- и массообмена при сушке в центробежном псевдоожиженном слое

В рамках такой модели принимаются также следующие упрощающие допущения: частицы дисперсного материала имеют одинаковые размеры и форму; поле температур внутри частиц однородно; перемешивание в направлениях радиальном и противоположном движению материала отсутствует; процесс теплообмена стационарный; температура и влагосодержание материала и сушильного агента постоянны в поперечном сечении слоя; уравнение теплопроводности для стенки сушильной камеры заменено на уравнение теплового баланса ввиду её малой толщины; не учитывается теплообмен между стенкой аппарата и материалом; теплоёмкости всех компонентов слоя не зависят от температуры.

В соответствии с расчетной схемой и приведенными выше допущениями балансовые уравнения для второго периода сушки имеют вид:

1) уравнение теплового баланса для материала

Ч'(с, + сж-^1П)-Тю-Ог(с, + с,■ м>,(г'))■ Т,(г')-G¡■(wl0-w¡(г'))х

х+ с». • 7](г')) + а21 ■ ^ • (Г2(г')-7;(г')) = ^[А/, • (с, + Сж. • и-,(г'))• 7;(г')]; 0)

2) уравнение теплового баланса для воздуха

' |>2' Т20 + (г + с„ ■ Г20) • ] ■- 02 ■ [с2 • Т2 (г') + (г + с, • Г2 (г')) ■ и-2(г)] -

-а2, • Р, ■ (Г2(г') - Г, (О) + О, • К - 1Ц (г')) • (г ■+ сж • 7; (г1)) •- а23 • Р3 ■ (Т2 (г')- Г3(г')) = (2)

= -Т2(т') + (г + с„ ■■¡2(т'))-щ(т')]}:

3) уравнение теплового баланса для стенки сушилки

«23' ^ ■{Т2(т')-Т,(т,))-а34 ■ • (Г3(г')-Г40) = -с30 -Г3(г')]; (3)

4) уравнение материального баланса по влаге в материале

О, • и>10 - в, • М-, (г') - к ■ Ъ • (V, (г') - ) = Т" ' ; (4)

5) уравнение материального баланса по влаге в сушильном агенте

С2 • и>2„ - С2 • н'ДО + О, • (*,„ - «,(г')) = . (5)

Для количественного сопоставления величин различной физической природы уравнения модели приводятся к безразмерному виду. С этой целью в них вводится безразмерная независимая переменная

т = ( (6)

где у'=С72/Л/, - постоянная, имеющая размерность с" .

В качестве новых зависимых переменных в уравнениях (1) - (3) выбрано отношение текущих температур к их значениям в начале второго периода сушки, а в уравнениях материального баланса по влаге в материале и сушильном агенте (4) и (5) - разность между текущими значениями влагосодержаний и их значениями в начале второго периода. Полученные безразмерные дифференциальные уравнения решались с помощью регулярной теории возмущений и асимптотических методов.

Для системы уравнений материального баланса получены два типа решения в зависимости от величины отношения параметров (а1/М1 + к-Б1) и

02/М2:

- если это отношение отличается от единицы, то

Щт) = -1Гп(1-е-1"), (7)

-т^Т-' ()

и'

} Р 2

- если отношение указанных параметров равно единице, то

\У,(т) = -\Уп-(\-е"1'), (9)

Щт) = И'22

1- 1 + 1 И'

(10)

где Щ^у^-^-к^),

J и2

Анализ уравнений (7) - (10) показал, что в первом случае процесс приближения к предельным значениям влагосодержаний определяется двумя временами релаксации - = А/,/(О, + к-Г1) и = М2/С2; во втором случае -

только одним релаксационным параметром т'^'.

Из безразмерного дифференциального уравнения для влагосодержания материала во втором периоде сушки и аналогичного уравнения для первого периода с учетом условия их гладкого сопряжения получено выражение для определения критического влагосодержания материала:

(П)

"с,

1~ехр|

Здесь г - время начала второго периода сушки (продолжительность

первого периода сушки) в безразмерном виде. Его можно вычислить с помощью формулы

г = — 1п " С,

1 +

г™ +-

1 б,

Ко)С2

(12)

1

О 1 н \о

где ткр=———-—— - время начала второго периода сушки в

"о Ко

безразмерном виде без учёта направленного перемещения материала.

В результате решения системы уравнений теплового баланса получены следующие аналитические зависимости температур дисперсного материала и сушильного агента от времени сушки:

©,(т)» ©,0(г) + ^¿¿е*'©™^),

т-0 А =1

02(г)» 02О(г) + ^¿¿е*'©^),

(13)

(14)

где функции ©10(г) и 02О(г) - это температуры материала и сушильного агента в нулевом приближении, а функции, стоящие под знаком внешней суммы, являются поправочными членами.

Для температур фаз слоя в нулевом приближении были получены следующие соотношения:

Ро

1 + А + А 1-2ГРЛ , 5л $ х

1 -УРо

ро ьл

V 8с\;

(15)

2 *л8г1

1 +

Л

\ + А + 2уЛ

А ил

Следует отметить, что поправочные члены в уравнении для температуры материала (13) не содержат теплоёмкость газовой фазы слоя. Таким образом, ощутимый вклад в температурную динамику материала дают члены, содержащие теплоёмкость именно этой фазы. В поправочные члены в уравнении для температуры сушильного агента (14) дают неисчезающий вклад члены, содержащие теплоёмкости и газовой, и дисперсной фаз слоя.

Изучение термической релаксации фаз псевдоожиженного слоя выявляет еще одну пару времен релаксации: 'в.

г'(П =2-

"■т рел

Л/,

(у-Чл/о) , = А,)-1. (17)

Таким образом, как и в случае массообмена, процесс теплообмена в слое также двухтемперальный: процесс медленного выравнивания температур характеризуется временем релаксации т'т™„ более быстрый процесс - временем

релаксации

В третьей главе проведено экспериментальное исследование процесса сушки дисперсного материала, а также гидродинамики и теплообмена в центробежном псевдоожиженном слое. С этой целью была сконструирована экспериментальная сушильная установка, показанная на рис. 2. Данная установка представляет собой аппарат непрерывного действия с тангенциальным подводом сушильного агента.

Рис. 2. Схема сушильной установки: 1 - газораспределительная решетка; 2 - рабочая камера; 3 - газовая камера; 4 - загрузочный патрубок; 5 - разгрузочный патрубок; 6 - пересыпной канал; 7 - перегородка;

8 - газоподводящий патрубок;

9 - газоотводящий патрубок

Основным элементом сушильной установки является кольцевая камера, образованная двумя коаксиально расположенными цилиндрическими обечайками. Кольцевая камера разделена жалюзийной газораспределительной решёткой 1 на две секции - рабочую 2, в которой осуществляется процесс сушки, и газовую 3, которая служит для подачи сушильного агента в слои материала. Для исключения провала частиц и более равномерного газораспределения решётка накрывается металлической сеткой. Такая конструкция имеет незначительное сопротивление и позволяет изменять

направление потока сушильного агента за счет обтекания лопаток и тем самым обеспечивать как равномерное псевдоожижение дисперсного материала, так и его перемещение в горизонтальной плоскости.

Сушильная установка работает следующим образом. Влажный материал из бункера (на рисунке не показан) через загрузочный патрубок 4 подается на газораспределительную решетку, под действием потока сушильного агента псевдоожижается и движется к пересыпному каналу 6. При этом осуществляется процесс сушки. Перегородка 7 препятствует перемешиванию свежего и высушенного материала. Из пересыпного канала высушенный материал поступает в разгрузочный патрубок 5 и выгружается из установки. Подача сушильного агента в аппарат осуществляется через газоподводящий патрубок 8, выброс в окружающую среду - через газоотводящий патрубок 9.

На рис. 3 показана принципиальная схема экспериментального стенда. В качестве сушильного агента в аппарате используется воздух, подаваемый в газовую камеру высоконапорным вентилятором 2. Воздух, поступающий в аппарат, подогревается в электрокалорифере 3, который установлен в канале воздуховода на нагнетательной стороне вентилятора. Расход воздуха измеряется с помощью термоанемометра 5 в комплекте с преобразователем, помещенным в канал воздуховода. Гидравлическое сопротивление рабочей камеры измеряется с помощью дифференциального цифрового микроманометра 6. Для измерения температуры сушильного агента в различных точках аппарата служат хромель-копелевые термопары 7 в комплекте с измерителем-регулятором 8. Температура частиц в слое фиксировалась при помощи термопары, помещенной в специальную «ловушку» 9. В качестве дисперсного материала в экспериментах использовался силикагель плотностью 1560 кг/м3 и диаметром 2,47 мм.

Рис. 3. Принципиальная схема экспериментального стенда: 1 - сушильная установка; 2 - вентилятор Ц10-28 №3; 3 - электрокалорифер СФОЦ-25/0,5-И1; 4- автотрансформатор; 5 - термоанемометр ТТМ-2/4-06; 6 - микроманометр ДМЦ-01М; 7 - термопары ТП-2088; 8 - универсальный измеритель-регулятор ОВЕН ТРМ148; 9 - «ловушка»

Первая серия экспериментов была посвящена исследованию кинетики процесса сушки дисперсных материалов в центробежном псевдоожиженном слое. Их основной задачей являлось построение экспериментальных кривых сушки. Для этого исследовалась зависимость влагосодержания материала от продолжительности сушки, скорости и начальной температуры воздуха. Отдельные результаты этой серии экспериментов показаны на рис. 4.

о 10 20 зо 40 50 г, С

Рис. 4. Экспериментальные кривые сушки силикагеля: ▲ - эксперимент при иг= 2,6 м/с; ■ - эксперимент при ог = 3,0 м/с; • - эксперимент при и, = 3,3 м/с; 1,4, 7 - = 60 °С; 2,5, 8 - ^ = 70 °С; 3,6,9- (гн =80 °С

кг/кг

1 / 2

(У/

4

6

/

77/>

8 V 9

\

Для проверки адекватности математической модели произведено сопоставление полученных опытных данных и рассчитанных по аналитическим соотношениям (7), (9), (11) и (12), показанное на рис. 5. При этом коэффициент сушки К определялся по результатам экспериментов и его значение изменялось в пределах от 0,03 до 0,038 1/с. Как показал анализ, максимальное отклонение опытных данных от расчетных составляет 15 %.

----эксперимент;--расчетная кривая

Хорошее совпадение опытных и расчетных данных позволяет сделать вывод, что предложенная математическая модель адекватно описывает процесс сушки дисперсных материалов в центробежном псевдоожиженном слое и полученные аналитические соотношения можно рекомендовать для использования в методике инженерного расчета.

Вторая серия экспериментов была посвящена исследованию гидродинамики и теплообмена в центробежном псевдоожиженном слое. Статистическая обработка полученных опытных данных производилась методом наименьших квадратов с использованием программы 81а115Ика. В результате аппроксимации были получены следующие эмпирические соотношения для определения гидродинамических параметров псевдоожиженного слоя, а также коэффициента межфазного теплоотдачи: - для порозности слоя

( Л0,64

*=о,68 -?Ч я*4; (18)

Яе„

- относительной скорости движения слоя

( Л-0'32 ( и Л0А7

¿ = 0)13.Рг-Ы Ш5; (19)

- критерия Эйлера (суммарного гидравлического сопротивления газораспределительной решетки и псевдоожиженного слоя)

""^Га2; (20)

Ей = 0,17Яе

.-0-2

Ч "з / \г-г /

- числа Нуссельта (межфазного коэффициента теплоотдачи)

( 1 V'74

Ыи = 0,14Ке08 —-— • (21)

\соъра)

Область применения соотношений (18) - (21) установлена для следующих пределов: 500<Яе<2500; 600<Рг<3000; 1300<р„,/А ¿2100; 0,9<Я„<4,5; 0,55 <Д< 0,86.

На рис. 6 показано сравнение отдельных опытных данных с данными, полученными при расчете по соотношениям (18) - (21).

Наибольшее отклонение расчетных данных от опытных для гидродинамических параметров центробежного псевдоожиженного слоя составило: для порозности слоя - 5 %, для гидравлического сопротивления решетки и псевдоожиженного слоя - 9 %, для скорости движения слоя - 16 /о. Для межфазного коэффициента теплоотдачи максимальное отклонение составляет 5 %.

5

АР, Па

ая1

гг

'>.5 7 7.5 8 и„ М'С 4.5

5 5.5 6 Го 7 7.5 8 и .м/с

*

6 6,5 7 7.5 к и , \( С

700 800 900 1000 N00 1200 Яе

Рис. 6. Зависимость гидродинамических параметров слоя и безразмерного коэффициента межфазного теплообмена от скорости воздуха: ▲ - эксперимент; ■ -расчет по формулам (18) - (21)

Достаточно хорошее совпадение опытных и расчетных данных позволяет рекомендовать полученные соотношения (18) - (21) для практического использования.

В четвёртой главе разработана методика инженерного расчета сушильных установок с центробежным псевдоожиженным слоем. В качестве исходных данных принимаются производительность аппарата, начальное и конечное влагосодержание дисперсного материала, теплофизические свойства материала и сушильного агента, начальное влагосодержание сушильного агента, начальная и максимально допустимая температура материала, эквивалентный диаметр и коэффициент лобового сопротивления частиц, насыпная порозность слоя. Методика позволяет определить геометрические размеры рабочей камеры и параметры газораспределительного устройства, продолжительность процесса сушки, количество секций сушильной установки, необходимую начальную температуру сушильного агента, конечную температуру и влагосодержание сушильного агента, конечную температуру материала и гидравлическое сопротивление установки.

Для удобства расчета режимных и конструктивных параметров сушильных установок с центробежным псевдоожиженным слоем разработана компьютерная программа, структурная схема которой приведена на рис. 7.

Начало

Подготовка исходных данных

Выбор параметров газораспределительной решетки

Определение минимальной скорости сушильного агента

Определение рабочей скорости сушильного агента

Задается площадь поперечного сечения рабочей камеры

Определение диаметра внутренней обечайки сушильной установки

Определение диаметра

внешней обечайки сушильной установки

Определение порозности слоя

Задается масса материала в рабочей камере

Определение количества ступеней сушильной установки

Определение полного времени сушки

Определение критического влагосодержания материала

Определение времени начала второго периода сушки

Определение массового расхода сушильного агента

Задается необходимая скорость сушки материала

Определяется время нахождения частицы в рабочей камере

Определяется высота

рабочей камеры сушильной установки

Определяется высота псевдоожиженного слоя

нет

Определение коэффициента межфазного теплообмена

Определение температуры материал на выходе го аппарата

Задаемся температурой сушильного агента на выходе из условия Т.ъТ

Определение влагосодержания сушильного агента

Определение гидравлического сопротивления аппарата

Вывод рез пеь ультатов на ать

Конец

Рис. 7. Структурная схема программы расчета сушильных установок с центробежным псевдоожиженным слоем

В приложениях приведены результаты экспериментов; представлены патенты на полезную модель и акты внедрения результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Теоретически исследован процесс сушки дисперсных материалов в установке непрерывного действия с центробежным псевдоожиженным слоем и получены аналитические соотношения для определения влагосодержания и температуры дисперсного материала и сушильного агента во втором периоде в зависимости от кинетических параметров процесса сушки. Установлены соотношения для определения критического влагосодержания материала и соответствующего ему времени начала второго периода сушки.

2. Разработана экспериментальная установка для исследования кинетики процесса сушки дисперсных материалов, а также гидродинамических и тепловых параметров центробежного псевдоожиженного слоя.

3. Проведено экспериментальное исследование кинетики сушки дисперсных материалов. В результате обработки результатов экспериментальных исследований получены кривые сушки материала. Сопоставление расчетных и опытных данных показало, что максимальное отклонение составляет 15 %. Это позволяет рекомендовать полученные соотношения для инженерных расчетов.

4. Сушка дисперсных материалов в центробежном псевдоожиженном слое позволяет повысить коэффициент сушки до 0,038 1/с.

5. Проведено экспериментальное исследование гидродинамики и теплообмена в центробежном псевдоожиженном слое. Получены эмпирические соотношения для определения порозности, гидравлического сопротивления и скорости движения центробежного псевдоожиженного слоя, а также межфазного коэффициента теплоотдачи в нём. Сопоставление расчетных и опытных данных показало, что наибольшее отклонение составляет: для порозности - 5 %, для гидравлического сопротивления - 9%, для скорости движения слоя - 16 %, для межфазного коэффициента теплоотдачи - 5 %. Это позволяет рекомендовать данные соотношения для практического использования.

6. Разработана методика, позволяющая осуществить инженерный расчет конструктивных и режимных характеристик сушильных установок дисперсных материалов с центробежным псевдоожиженным слоем.

Основные условные обозначения

в - массовый расход, кг/с; А/ - масса, кг; с - теплоёмкость, кДж/(кг-К); г - теплота парообразования, Дж/кг; Т - температура, К; к - интенсивность сушки, кг/(с-м2); N - скорость сушки, 1/с; К - коэффициент сушки, 1/с; м' - _влагосодержание, кг/кг; а - коэффициент межфазного теплообмена Вт/(м К); т' - время сушки, с; т'кр- время начала второго периода сушки, с; - площадь поверхности, м2; е - порозность псевдоожиженного слоя;

АР - перепад давления, Па; Я0 - высота насыпного слоя, м; р - плотность, кг/м3; и - скорость, м/с; Д, - угол вхс

I

с{э - эквивалентный диаметр частиц, м; Р = -

ЯЛ Л г и; зл

■Ь. » >8 II ¿ъ и N. _ N }

; о = Гс2 1с, ) -А,; Л Ро и

£

с,0' 21 г10' и О, у.8й У О, Г х + А

3:1

Х+Т+Т гх+т+} ,

1+£ ЧЧ]

Критерии (числа): = = Еи = -^; = Рг = 7'

Индексы: 1 (га) - твердые частицы; 2 (г) - сушильный агент; 3 - стенка сушильной установки; 4 - наружный воздух; ж - жидкость (влага); п - водяной пар; н - начальный (начало сушки); к - конечный (окончание сушки); 0 - начало второго периода сушки; р - равновесный; вх - вход в слой; вых - выход из слоя.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Надеев, А. А. Процессы тепло- и массопереноса в псевдоожиженном слое для второго периода сушки [Текст] / А. А. Надеев, Ю. Н. Агапов, А. П. Бырдин // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2012.-Т. 8.-№11.-С. 132-137.

2. Экспериментальное сравнение газораспределительных устройств для формирования центробежного слоя [Текст] / Д. Ю. Агапов, А. А. Надеев, К. Н. Родионов, В. Г. Стогней, И. Ю. Клейников // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т. 8. -№ 7.1.-С. 118121.

3. Надеев, А. А. Экспериментальные исследования аэродинамики установки для сушки сыпучих материалов в центробежном псевдоожиженном слое [Текст] / А. А. Надеев, Ю. Н. Агапов, В. Г. Стогней // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2009. - Т. 5. -№5.-С. 76-78.

Статьи и материалы конференций

4. Асимптотическое поведение решения уравнений, описывающих процесс сушки дисперсных материалов в динамическом слое [Текст] / А. А.

Надеев, Ю. Н. Агапов, А. П. Бырдин, И. Ю. Клейников // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: тез. докл. XIX школы-семинара молодых ученых и специалистов под рук. акад. РАН А.И. Леонтьева. - М.: Изд. дом МЭИ, 2013. - С. 135 - 136.

5. Надеев, А. А. Газораспределительные устройства для формирования центробежного псевдоожиженного слоя [Текст] / А. А. Надеев, Д. Ю. Агапов,

A. М. Коломиец // Энергетики и металлурги настоящему и будущему России: материалы 14 Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и специалистов; под общ. ред. Е.Б. Агапитова. - Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2013. - С. 106 - 108.

6. Надеев, А. А. Тепло- и массообмен в псевдоожиженном слое во втором периоде сушки [Текст] / А. А. Надеев // Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения: труды науч.-техн. конф. молодых учёных аспирантов и студентов. - Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2012. - Вып. 14. -С. 19-28.

7. Надеев, А. А. Повышение интенсивности теплообмена при движении частиц в кольцевом канале [Текст] / А. А. Надеев, Д. Ю. Агапов, В. Г. Стогней // Энергетики и металлурги настоящему и будущему России: материалы 13 Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и специалистов; под общ. ред. Б.К. Сеничкина. - Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2012. - С. 17 - 19.

8. Надеев, А. А. Расчетно-экспериментальное исследование сушильной установки с псевдоожиженным слоем [Текст] / А. А. Надеев, Д. Ю. Агапов, И. Ю. Клейников // Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения: труды науч.-техн. конф. молодых учёных аспирантов и студентов. - Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2011. - Вып. 13. - С. 36 -42.

9. Надеев, А. А. Определение распределения температур при контакте влажных частиц с воздухом [Текст] / А. А. Надеев, Ю. Н. Агапов, А. П. Бырдин // Современные энергосберегающие тепловые технологии (Сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ-2011: труды IV Междунар. науч.-практ. конф: в 2 т. - М., 2011. - Т. 1. - С. 278-283.

10. Надеев, А. А. Установка для сушки сыпучих материалов в центробежном псевдоожиженном слое [Текст] / А. А. Надеев, Ю. Н. Агапов,

B. Г. Стогней // Тинчуринские чтения: материалы докл. IV Междунар. молодежной науч. конф.; под общ. ред. д-ра физ.-мат. наук, проф. Ю.Я. Петрушенко: в 4 т. - Казань: Казан, гос. энегр. ун-т, 2009. - Т. 2. - С. 38 - 39.

11. Надеев, А. А. Экспериментальное исследование сушилки с центробежным слоем [Текст] / А. А. Надеев, Ю. Н. Агапов, В. Г. Стогней // Научные исследования в области транспортных, авиационных и космических систем: труды X Всерос. науч.-техн. конф. и школы молодых ученых, аспирантов и студентов. - Воронеж: ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2009. - С. 427 - 431.

12. Надеев, А. А. Движение дисперсных частиц в аэродинамическом потоке [Текст] / А. А. Надеев, Ю. Н. Агапов, В. Г. Стогней // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях: труды XVII школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева. - М.: Изд. дом МЭИ, 2009. - Т. 2. - С. 249 - 252.

13. Надеев, А. А. Сушильная установка с центробежным псевдоожиженным слоем [Текст] / А. А. Надеев, Ю. Н. Агапов, В. Г. Стогней // Авиакосмические технологии: труды IX Всерос. науч.-техн. конф. - М., 2008. -С. 232-239.

14. Надеев, А. А. Определение скорости движения псевдоожиженного слоя вдоль кольцевого канала [Текст] / А. А. Надеев, Ю. Н.Агапов, В. Г. Стогней // Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения: труды науч.-техн. конф. молодых учёных аспирантов и студентов. - Воронеж: ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2008. - Вып. 9. - С. 52 - 58.

15. Агапов, Ю. Н. Теоретическое исследование процесса формирования и движения псевдоожиженного слоя вдоль горизонтальной газораспределительной решетки [Текст] / Ю. Н. Агапов, А. А. Надеев, А. Е. Осташов // Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения: труды науч.-техн. конф. молодых учёных аспирантов и студентов. - Воронеж: ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2007. - Вып. 7. - С. 31 - 35.

16. Надеев, А. А. Процесс тепломассообмена при контакте влажной частицы с воздухом в кипящем слое [Текст] / А. А. Надеев, М. Ю. Долгов, Ю. Н. Агапов // Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения: труды науч.-техн. конф. молодых учёных аспирантов и студентов. - Воронеж: ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2007. — Вып. 8. - С. 28 - 35.

Патенты

17. Патент на полезную модель 1Ш 84519 Ш, МПК Р26В 17/10. Сушилка термочувствительных сыпучих материалов с центробежным псевдоожиженным слоем [Текст] / А.А. Надеев, Ю.Н. Агапов, В.Г. Стогней; заявитель и патентообладатель Воронежский государственный технический университет. -№ 2008117601/22; заявл. 04.05.2008; опубл. 10.07.2009; Бюл. № 19. - 2 с.

18. Патент на полезную модель 1Ш 119080 Ш, МПК Р26В 17/10 Устройство сушки сыпучих материалов [Текст] / А. А. Надеев, Д. Ю. Агапов, Н. Н. Кожухов, И. Ю. Клейников, Ю. Н. Агапов, А. В. Бараков; заявитель и патентообладатель Воронежский государственный технический университет. -№2011149345/06; заявл. 02.12.2011; опубл. 10.08.2012; Бюл. №22.-2 е.: ил.

Подписано в печать 07.11 .2013. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ № 22/

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 3 94026, г. Воронеж, Московский просп., 14

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

НАДЕЕВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

ГИДРОДИНАМИКА И ТЕПЛОМАССООБМЕН В СУШИЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ С ЦЕНТРОБЕЖНЫМ ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Агапов Юрий Николаевич

Воронеж-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................4

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ..........................................................8

1 ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПСЕВДООЖИЖЕННОГО СЛОЯ ПРИ СУШКЕ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ....................................10

1.1 Конструкции сушильных установок с псевдоожиженным слоем дисперсного материала...................................................................................10

1.2 Методы расчета процесса конвективной сушки дисперсных материалов 24

1.2.1 Эмпирические и полуэмпирические методы расчета кинетики сушки.....................................................................................................25

1.2.2 Теоретические методы расчета кинетики сушки...............................32

1.3 Гидродинамика псевдоожиженного слоя......................................................34

1.4 Тепломассообмен в псевдоожиженном слое................................................41

1.5 Выводы и задачи исследования......................................................................45

2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА В СУШИЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ С ЦЕНТРОБЕЖНЫМ ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ......................................................................47

2.1 Уравнения теплового и массового балансов процесса сушки....................47

2.2 Решение системы уравнений материального баланса для материала и сушильного агента..........................................................................................51

2.3 Определение времени окончания первого периода сушки и критического влагосодержания материала..................................................54

2.4 Расчленение системы уравнений теплового баланса...................................57

2.5 Решение невозмущенной системы температурных уравнений..................59

2.6 Определение поправочных членов решения системы температурных уравнений.........................................................................................................63

2.7. Асимптотика решения невозмущенной системы температурных уравнений.........................................................................................................74

2.8. Асимптотика решения системы поправочных членов температурных уравнений.........................................................................................................78

2.9. Выводы.............................................................................................................84

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СУШИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ С ЦЕНТРОБЕЖНЫМ ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ.....87

3.1 Описание экспериментальной установки и методика исследования.........87

3.2 Экспериментальное исследование кинетики сушки..................................103

3.3 Экспериментальное исследование гидродинамики и теплообмена в центробежном псевдоожиженном слое......................................................106

3.4 Выводы............................................................................................................115

4 МЕТОДИКА ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА СУШИЛЬНЫХ УСТАНОВОК С

ЦЕНТРОБЕЖНЫМ ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ................................116

4.1 Тепловой расчет сушильных установок непрерывного действия с

псевдоожиженным слоем.............................................................................116

4.2. Конструктивный тепловой расчет сушилок с центробежным

псевдоожиженным слоем.............................................................................120

4.3 Конструктивные особенности сушильной установки с центробежным

псевдоожиженным слоем.............................................................................125

4.4. Выводы...........................................................................................................127

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ..........................................................128

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК....................................................................129

ПРИЛОЖЕНИЕ А...................................................................................................142

ПРИЛОЖЕНИЕ Б....................................................................................................144

ПРИЛОЖЕНИЕ В....................................................................................................145

I

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Сушка разнообразных дисперсных материалов является распространенным теплотехнологическим процессом в химической, строительной и других отраслях промышленности, а также в сельском хозяйстве. Её организация связана со значительными затратами тепловой энергии, что определяет необходимость выбора наиболее рациональных способов и разработку новых современных конструкций сушильных установок.

В настоящее время одним из наиболее эффективных способов сушки дисперсных материалов является метод, основанный на использовании принципа псевдоожиженного («кипящего») слоя. Достоинства псевдоожиженного слоя отмечены в работах Н.И. Гельперина, В.Г. Айнштейна, П.Г. Романкова, А.П. Баскакова, В.Ф. Фролова и ряда других отечественных и зарубежных ученых. К ним относятся высокие значения эффективной теплопроводности и межфазного тепломассообмена, развитая поверхность взаимодействия между твердыми частицами и сушильным агентом, подвижность («текучесть») и т. д. Однако реализация непрерывных процессов сушки в псевдоожиженном слое осложнена необходимостью его перемещения вдоль газораспределительной решетки. Эта проблема может быть решена при использовании центробежного псевдоожиженного слоя, перемещающегося за счет динамического воздействия на частицы направленных потоков сушильного агента. Происходящее при этом совмещение процессов псевдоожижения и транспорта дисперсного материала, а также межфазного тепло- и массообмена позволяет повысить эффективность работы сушильных установок. Однако процессы гидродинамики и тепломассообмена в таких аппаратах изучены не в полной мере, что затрудняет разработку инженерной методики расчета. В связи с этим тема диссертации является актуальной.

Работа выполнена в рамках основного научного направления «Физико-технические проблемы энергетики», ГБ 2007.12 (№ гос. регистр. 01.2.00409970)

и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, тема ФЦП 1/10 «Создание энергосберегающих систем и установок с центробежным псевдоожиженным слоем», ГК 02.740.11.0758 (№ гос. регистр. 01.2.01062243), тема «Создание энергосберегающих теплотехнологических систем и установок с высокоразвитыми поверхностями тепломассообмена» (соглашение № 14.В.37.21.1963).

Цель работы. Разработка методики инженерного расчета конструктивных и режимных характеристик сушильных установок непрерывного действия с центробежным псевдоожиженным слоем на основе теоретического и экспериментального исследования гидродинамики и тепломассообмена.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- теоретически исследовать процесс сушки дисперсных материалов в установке с центробежным псевдоожиженным слоем и получить аналитические соотношения для определения влагосодержания и температуры дисперсного материала и сушильного агента в зависимости от кинетических параметров процесса сушки;

разработать опытную сушильную установку, провести экспериментальное исследование кинетики процесса сушки и сравнить полученные данные с результатами теоретического исследования;

провести экспериментальное исследование гидродинамики и теплообмена в центробежном псевдоожиженном слое и получить эмпирические соотношения для определения порозности, гидравлического сопротивления и скорости движения центробежного псевдоожиженного слоя, а также межфазного коэффициента теплоотдачи;

- разработать методику инженерного расчета конструктивных и режимных параметров сушильных установок с центробежным псевдоожиженном слоем.

Научная новизна работы определяется следующими результатами:

1. Получены новые аналитические соотношения для определения влагосодержания и температуры дисперсного материала и сушильного агента во втором периоде в зависимости от кинетических параметров процесса сушки в центробежном псевдоожиженном слое.

2. Установлены соотношения для определения времени начала второго периода сушки и соответствующего ему критического влагосодержания, отличающиеся учетом скорости движения материала и сушильного агента.

3. Получены новые эмпирические критериальные соотношения для определения порозности, гидравлического сопротивления и скорости движения центробежного псевдоожиженного слоя, а также межфазного коэффициента теплоотдачи в нём.

4. Разработана методика инженерного расчета конструктивных и режимных характеристик сушильных установок с центробежным псевдоожиженным слоем дисперсного материала.

Практическая значимость работы. Полученные в работе теоретические и экспериментальные результаты явились научной базой для разработки методики, позволяющей осуществить инженерный расчет конструктивных и режимных характеристик сушильных установок дисперсных материалов с центробежным псевдоожиженным слоем.

Результаты проведенных исследований внедрены в практику ОАО «Квадра» - «Воронежская региональная генерация», а также используются в учебном процессе по дисциплине «Тепломассообменное оборудование предприятий» по направлению 140100.62 «Теплоэнергетика и теплотехника» в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Всероссийских научно-технических конференциях и школах молодых ученых, аспирантов и студентов «Авиакосмические технологии» (Воронеж, 2008 -2009), научно-технических конференциях молодых учёных, аспирантов и

Я 'М1 " I ; V , • I 1 ' ' ,1" '

1,

1! I I1

IV V 7/, I •

!

студентов «Физико-технические проблемы энергетики экологии и энергоресурсосбережения» (Воронеж, 2007 - 2012), XVII и XIX школах-семинарах молодых ученых и специалистов «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Жуковский, 2009; Орехово-Зуево, 2013), IV Международной молодёжной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2009), IV Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ - 2011» (Москва, 2011), 13 и 14 Всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и специалистов «Энергетики и металлурги настоящему и будущему России» (Магнитогорск, 2012 - 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 2 патента РФ на полезную модель.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка из 112 наименований, 3 приложений. Основная часть работы изложена на 145 страницах, содержит 29 рисунков и 8 таблиц.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

а - коэффициент температуропроводности, м /с;

с - теплоёмкость, Дж/(кг- К);

с1э - эквивалентный диаметр частиц, м;

Ва - диаметр аппарата, м;

Д - коэффициент диффузии паров влаги в сушильном агенте, м/с;

Е - площадь поверхности, м2;

(7 - массовый расход, кг/с;

£ - ускорение свободного падения, м/с2;

Н, Н0,- высота псевдоожиженного и насыпного слоев, м;

Я„ - монолитная высота слоя, м;

М ' '

На - высота аппарата, м; К - коэффициент сушки, с"1;

-у

к - интенсивность сушки, кг/(м -с); М - масса, кг; N - скорость сушки, с"1; Р, АР - давление и перепад давления, Па; г - теплота парообразования, Дж/кг

Я/1р, Явн - наружный и внутренний радиусы газораспределительной

решётки, м;

/ - температура, °С; Т - температура, К;

Тм - температура мокрого термометра сушильного агента, К; -и> - влагосодержание, кг/кг;

а - коэффициент межфазного теплообмена, Вт/(м К);

Р - коэффициент массоотдачи, м/с.

Д, - угол входа газового потока в слой, рад;

РтР ~ Угол наклона газораспределительной решётки к центру аппарата, рад; у - газосодержание псевдоожиженного слоя; 8, е0 — порозности псевдоожиженного и насыпного слоев;

Я - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); V - кинематический коэффициент вязкости, м /с; р - плотность, кг/м ; г - время, с; и - скорость, м/с;

°кр » °у ~ скорость начала псевдоожижения и скорость витания частиц, м/с;

Критерии (числа): Яе = —- Рейнольдса; Ей = -—у - Эйлера;

у р и

г г г г

р^ЛЛи—_ дрхимеда. рг = _ фру да; Ни = - Нуссельта; РгК 8<*э Яг

Рг = — - Прандтля; В! = - Био; БЬ = ^ - Шервуда; 8с = —— Шмидта.

аг Ч„ А А

Индексы: т (1) - твердые частицы; г (2) - сушильный агент; ст (3) - стенка сушильной установки; не (4) - наружный воздух; ж - жидкость (влага); п - водяной пар; н - начальный (начало сушки); к - конечный (окончание сушки); 0 - начало второго периода сушки; I - первый период сушки; II - второй период сушки; р - равновесный; кр - критический;

1 ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПСЕВДООЖИЖЕННОГО СЛОЯ ПРИ СУШКЕ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1 Конструкции сушильных установок с псевдоожиженным слоем дисперсного материала

Высушиванием или сушкой называют процесс термического удаления части содержащейся во влажном материале влаги (жидкости). Чаще всего такой жидкостью является вода. Высушивание проводится с целью уменьшения расходов на транспорт значительных количеств материала, улучшения его каких-либо физико-химических свойств, или в том случае, если наличие в материале влаги нежелательно для его последующей физико-химической или химической переработки или использования. В сушильной технике влажные материалы подразделяют согласно [1] на капиллярно-пористые (не деформируемые в процессе сушки), коллоидные (как правило, деформируемые) и коллоидные капиллярно-пористые, обладающие промежуточными свойствами. Независимо от вида влажного материала и его исходного состояния, на высушивание необходимо затрачивать внешнюю энергию в виде теплоты, равную, как минимум, теплоте парообразования удаляемой влаги, вследствие чего термическая сушка представляет собой весьма энергоемкий процесс.

По способу подвода теплоты к высушиваемому материалу различают следующие виды промышленной сушки:

- конвективная, при которой поверхность влажного материала непосредственно контактирует с сушильным агентом (горячим воздухом или топочными газами);

- контактная, когда материал получает теплоту от контактирующей с ним твердой горячей поверхности;

- сублимационная - сушка в замороженном состоянии при глубоком вакууме (по способу передачи теплоты этот вид аналогичен контактной сушке);

- инфракрасная (лучистая, радиационная), при которой поверхность материала получает теплоту в виде электромагнитного излучения от соответствующего высокотемпературного источника;

- диэлектрическая (сушка токами высокой частоты), когда энергию на испарение влаги материал получает от высокочастотного электромагнитного поля, проникающего вглубь влажного материала.

Наиболее распространенной является конвективная сушка, в которой сушильный агент не только подводит к поверхности материала необходимую теплоту, но и удаляет выделяющиеся из него пары влаги. Для сушки дисперсных материалов применяют, как правило, аппараты этого типа. Конвективные сушильные установки с псевдоожиженным («кипящим») слоем

материала получили широкое распространение благодаря следующей специфической особенности: процесс сушки протекает очень интенсивно в силу значительного увеличения поверхности взаимодействия между материалом и сушильным агентом. Это обуславливает высокую экономичность и производительность аппарата. К достоинствам сушилок этого типа следует отнести также возможность регулирования среднего времени пребывания

материала в слое изменением его высоты.

Сушилки с псевдоожиженным слоем очень разнообразны как по конструкции, так и по тепловым и гидродинамическим режимам работы. Pix можно классифицировать по характеру высушиваемого материала, по количеству секций, по характеру движения высушиваемого материала, по кратности использования теплоносителя, по режиму процесса, по конфигурации сушильной камеры.

Технологическая классификация отдельных аппаратов проводится чаще всего по виду высушиваемого материала. Это особенно важно для выбора типа сушильных установок. По данному признаку они разделяются на три основные группы: для дисперсных материалов; для пастообразных материалов; для суспензий, растворов, расплавов.

Следует отметить, что применяемые сушилки конструктивно мало отличаются друг от друга и различия заключаются, главным образом, в способе подачи влажного материала.

Сушилки с псевдоожиженным слоем можно разделить по количеству секций на два типа: однокамерные и многокамерные. Однокамерные установки более просты в конструктивном и эксплуатационном отношениях и лучше всего поддаются автоматизации. Многокамерные сушильные установки бывают с движением сушильного агента и материала противотоком друг к Другу (ступенчато-противоточные) и с последовательным движением материала по длине аппарата и подачей свежего сушильного агента в отдельно каждую камеру.

В многокамерных аппаратах с последовательным движением материала секционирование осуществляется за счет установки вертикальных п