автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Разработка и расчет сушки с вихревой трубой

005042»°■

На правах рукописи

ОРЛОВ Андрей Юрьевич РАЗРАБОТКА И РАСЧЕТ СУШКИ С ВИХРЕВОЙ ТРУБОЙ

Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 май 2012

Тамбов 2012

005042961

Работа выполнена на кафедре «Технологические процессы и аппараты» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ТГТУ»),

Научный руководитель Заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор Коновалов Виктор Иванович

Официальные оппоненты: Баранов Дмитрий Анатольевич,

доктор технических наук, профессор, Московский государственный университет инженерной экологии, заведующий кафедрой «Процессы и аппараты химической технологии»

Промтов Максим Александрович,

доктор технических наук, профессор, Тамбовский государственный технический университет, профессор кафедры «Техносферная безопасность»

Ведущая организация Государственное научное учреждение

«Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов» Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВНИИТиН), г. Тамбов

Защита диссертации состоится «2-0» » 2012 г. вЛ«?ч° часов

на заседании диссертационного совета Д 212.260.02 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО »ТГТУ») по адресу: г. Тамбов, ул. Ленинградская, д. 1, ауд. 60.

Отзывы в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ФГБОУ ВПО «ТГТУ», ученому секретарю диссертационного совета Д 212.260.02.

Электронная почта: kvidep@cen.tstu.ru; факс: 8 (4752) 632024.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ТГТУ».

Автореферат разослан « "У » о^уур,2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Нечаев Василий Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Ограниченность запасов топливно-энергетических ресурсов вызвала необходимость проведения энергосберегающей политики во всех странах мира. Проблема снижения энергозатрат особенно актуальна для российской экономики, поскольку в России энергоемкость промышленного производства и социальных услуг оказывается выше общемировых показателей, что приводит к увеличению себестоимости продукции и снижению ее конкурентоспособности.

Среди множества процессов химической и смежных отраслей промышленности сушка материалов, полупродуктов или готовых изделий занимает важное место. Для сушки дисперсных материалов в промышленности наиболее часто применяются сушилки с конвективным подводом теплоты. Однако конвективные сушилки, используемые в промышленности, имеют низкий коэффициент полезного действия по теплоте (до 60%), так как паровоздушная смесь, выходящая из рабочей зоны сушильного оборудования, имеет высокую температуру и влагосодержа-ние. В связи с этим актуальными являются задачи разработки технологических схем и вариантов устройств для использования теплоты уходящей паровоздушной смеси в технологических целях.

Одним из возможных типов энергосбережения является термотрансформация (теплотрансформация) с использованием вихревой трубы Ранка-Хилша (ВТ). Основной физический феномен вихревого эффекта Ранка заключается в температурной стратификации сплошной среды — разделении исходного закрученного потока воздуха (газа, пара, жидкости) с равномерной по сечению начальной температурой на входе на два выходящих потока: «горячий» периферийный и «холодный» осевой.

Проблема термотрансформации до сих пор содержит многочисленные парадоксы и противоречия и представляет значительный научный интерес.

В науке и технике основные вопросы разделения состоят в минимизации энергозатрат и в максимально достижимых КПД. Решение задачи использования тепла в процессе сушки дисперсных материалов в конвективных сушилках с использованием ВТ требует разработки соответствующей экспериментально-аналитической базы и инженерной методики расчета.

Работа выполнялась в рамках Федерального закона РФ от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».

Цель работы и задачи исследования. Исследование газо-, гидро- и термодинамических характеристик вихревых труб с целью энергосбережения в процессе сушки и разработка на их основе инженерной методики расчета, позволяющей рассчитать конструктивные параметры вихревой трубы.

Соответственно этому в диссертации были поставлены следующие задачи:

- изучить влияние конструктивно-технологических особенностей вихревых 1руб различных типов и конструктивных вариантов (ВТ А.П. Меркулова, ВТ Nex Flow 40 (Н, С), ВТ Nex Flow 4 (Н, С)) на их режимные характеристики и параметры процесса термосепарации;

— провести исследования по сушке и нагреву пастообразных и сыпучих материалов в тонких плоских слоях на различных подложках;

— выяснить кинетические типы сушки (на примере азопигментов), найти коэффициенты массо- и теплоотдачи, критические точки и другие характеристики, необходимые для расчета кинетики сушки;

— разработать методику обработки полученных экспериментальных данных на ВТ, на основе материального и теплового балансов и дополнительных однопо-точных экспериментов при закрытом дросселе и при заглушённой диафрагме;

— разработать инженерную методику расчета вихревых труб, позволяющую определять сопротивления вихревой трубы и ее элементов, общее сопротивление, расходы и потребляемую мощность с учетом размеров ВТ и анализировать роль и качество конструкции элементов трубы;

— разработать схему технологической линии с использованием вихревой трубы на стадии сушки (на примере азопигментов).

В связи с характером работы большую ее часть оказалось необходимым посвятить особенностям работы вихревых труб.

Научная новизна работы. Впервые предложена и отработана методика получения и обработки экспериментальных данных на вихревых трубах, заключающаяся в проверке материального и теплового балансов, проведении дополнительных однопоточных экспериментов и в последовательной обработке результатов по сериям.

Впервые разработан инженерный газогидродинамический метод расчета, основанный на определении сопротивлений вихревой трубы и ее элементов, получено основное расчетное уравнение «разности квадратов давлений», учитывающее расширение сжимаемой среды. Предложен тепловой расчет, базирующийся на явлениях нагрева торможением, расширительного охлаждения и вязкостной диссипации с введением «коэффициентов реальности».

Практическая ценность. Создана экспериментальная установка с вихревой трубой и проведены эксперименты с вихревыми трубами различных типов (ВТ А.П. Меркулова, ВТ Nex Flow 40 (Н, С), ВТ Nex Flow 4 (Н, С)), позволившие определить характеристики вихревых труб, возможности их применения и разработать метод инженерного расчета.

На базе полученных аналитических решений и корреляций разработана и реализована компьютерная методика инженерных расчетов вихревых труб.

Предложена модернизация технологической линии по производству азопигментов с использованием для энергосбережения вихревой трубы на стадии сушки.

Апробация работы. Результаты работы доложены на Международном научно-техническом семинаре «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов», г. Воронеж, 2010 г.; Четвертой Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов). СЭТТ-2011», г. Москва, 2011 г.

Результаты работы используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «ТГТУ» при изучении дисциплины «Теоретические основы энергоресурсосбережения».

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано пять печатных работ, в том числе четыре в журналах из перечня ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 176 страницах основного текста и состоит из введения, шести основных глав, выводов, списка литературы и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко изложено содержание работы и показана актуальность решаемых в ней задач.

В первой главе выполнена систематизация, даны обзор и анализ разновидностей энерготехнологического обеспечения, путей и способов энергосбережения и проблем, возникающих при их практической реализации, обзор общих особенностей и экспериментальной техники по вихревым трубам. Выполнен обзор и приведены примеры промышленного оборудования и технологий экономии энергии при тепловой сушке. Рассмотрены классификации методов повышения тепловой экономичности конвективных сушильных установок.

Рассмотрены возможности применения вихревых труб Ранка-Хилша в химических технологиях, прежде всего в сушильных процессах химической технологии с целью энергосбережения. Показана необходимость выполнения работ по созданию ВТ с увеличением производительности, повышением температуры и снижением необходимого давления, а также экспериментальной проверки для всех конкретных случаев.

Вторая глава посвящена обзору теоретических вопросов энергосберегающей сушки.

Рассматриваются современные методологии энергосбережения, основанные на интегрированном подходе к производству в целом, к системе аппаратов, на анализе индивидуальных и суммарных горячих и холодных потоков и выявлении узких, лимитирующих мест.

Проведен обзор и анализ многочисленных объяснений и классификаций теорий ВТ по группам, рассматриваются противоречивые явления и особенности, которые предполагаются ответственными за эффект Ранка.

Вышеизложенное определяет необходимость обязательной экспериментальной проверки разрабатываемых решений с применением вихревых труб.

В третьей главе приводится описание лабораторных установок и техники проведения экспериментальных исследований, а также характеристики испытуемых образцов.

Для исследований вихревых труб и сушки с вихревой трубой спроектирована и собрана сушильно-вихревая установка (СВТ) (рис. 1).

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для исследования вихревых труб и процессов сушки с вихревой трубой:

1 - образец на подложке; 2 - сушильная камера; 3 - сопло для обдува высушиваемого образца; 4 — дроссельная задвижка; 5 — вихревая труба; 6 — ротаметр на входе воздуха; 7 - диафрагма; 8 - ротаметр на выходе холодного воздуха; 9 - компрессор с ресивером

Для сопоставления результатов и получения более детальных данных по кинетике сушки использовалась большая циркуляционная сушилка (БЦС).

Исследовались виды и варианты ВТ трех типов, семи вариантов:

1) ВТ Меркулова со слабо конической внутренней поверхностью: внутренний диаметр 15,9...24,3 мм, длина трубы 164 мм, три тангенциальных сопла с площадью поперечного сечения 15,75 мм2, диаметры диафрагм 6 мм, 8 мм, 13,1 мм (рис. 2, поз. а); 2) ВТ Nex Flow 40 (Н, С): внутренний диаметр 11 мм, длина трубы 110 мм, шесть тангенциальных подводов с площадью поперечного сечения 19,2 мм2, Н - диаметр диафрагмы 9,1 мм, С - диаметр диафрагмы 6,3 мм (рис. 2, поз. 6); 3) ВТ Nex Flow 4 (Н, С): внутренний диаметр 4,6 мм, длина трубы 70 мм, шесть тангенциальных подводов с площадью поперечного сечения 4,8 мм2, Н - диаметр диафрагмы 2,8 мм, С - диаметр диафрагмы 2 мм (рис. 2, поз. с).

Четвертая глава посвящена исследованию технических характеристик вихревых труб и изучению возможности проведения процесса сушки с вихревой трубой.

Проводились серии экспериментов с вихревыми трубами, в которых измерялись все характеристики труб в штатном режиме и в однопоточных режимах (при закрытом дросселе и при заглушённой диафрагме). Диапазон давлений был от 0,1 до 0,6 МПа с шагом в 0,1 МПа.

Расход воздуха на входе и выходах в ВТ пересчитывался в зависимости от температуры воздуха, после чего считалась доля «холодного» потока ц. После обработки полученных данных рассчитывалась погрешность материального баланса и теплового баланса (суммарного и по потокам) Д, % и Дпог, % соответственно.

В результате были получены основные характеристики ВТ: расходы, давления и температуры входного, горячего и холодного потоков, а также дополнительно давление потока перед дросселем. В диссертации приведены таблицы первичных экспериментальных данных для всех опытов (более 300).

Эксперименты по сушке проводились на образцах лака Рубинового СК, получаемого на основе соответствующего азопигмента (ОАО «Пигмент», г. Тамбов), а также на послеспиртовой барде (Ново-Лядинский спиртзавод, Тамбовская обл.) в тонких плоских слоях на различных подложках. Они позволяют выяснить кинетические типы сушки, найти коэффициенты массо- и теплоотдачи, критические точки и другие характеристики, необходимые для расчета и проектирования сушилки.

Диапазоны температур и скоростей обдувающего воздуха составляли на БЦС от 60 до 120 °С и от 4 до 6 м/с, на лабораторной сушилке с ВТ подбирались сопоставимые параметры (рис. 3-5). В работе также приведены первичные таблицы результатов.

Подтвержденное экспериментально сходство кинетических кривых сушки позволяет использовать данные, полученные на БЦС, и применять метод расчета, развиваемый на кафедре «Технологические процессы и аппараты» ТГТУ и полу-

Рис. 2. ВТ Меркулова, ВТ Nex Flow 40, ВТ Nex Flow 4

чившии международное признание, основанный на температурно-влажностных кривых, на разбивке процесса сушки на зоны, инженерно-физической аппроксимации границ зон и необходимых тепломассообменных характеристик и аналитических решениях задач тепло- и массопереноса в пределах каждой зоны при интервальном подходе.

МФП, Рубиновый СК (25%), 80С, 4 м/с МФП. Рубиновый СК (25%), 120С, 4 м/с

2,5 140

120

2

100

1,5 О 8°

1 £ к: 60

40

0,5

20

0 0

51 «Р ^ # # „■$> ^ ^

Время, с Время, с

Рис. 3. Типы экспериментальных температурных и влажностных кривых сушки водных дисперсий лака рубинового СК на различных подложках

МАП, Барда (50%), 60С, 4 м/с

МАЛ, Барда (50-/J, 120С, 6 м/с

> # <9 ^^^^^^^^^^^

Время, с Время, с

Рис. 4. Типы экспериментальных температурных и влажностных кривых сушки водных дисперсий послеспиртовой барды на различных подложках

В пятой главе разрабатывает- т, .с МФП'Ру6иновый ск 25% 80С 4 м

ся инженерная методика расчета вихревых труб.

Газогидродинамическнй расчет базируется на наиболее общих исходных уравнениях для гидравлических расчетов - на уравнениях Навье-Стокса, из которых следуют и уравнение Бернулли, и уравнение Дарси-Вейсбаха. Однако для сложнейших течений и энергетических явлений в вихревых трубах необходимы серьезные упрощения этих уравнений. Запишем уравнения Навье-Стокса, преобразованные для однонаправленного установившегося течения по оси х при плоском профиле скоростей (в вихревых трубах неравномерность профилей настолько велика, что в дальнейшем приходится выделять зоны «активных» струй). В субстанциональной производной уравнений Навье-Стокса от конвективных членов и локальной составляющей останется один член ри1 с^/сЬс, а вязкостный член

I 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Время, с

Рис. 5. Температурная и влажностная кривая сушки пигмента Алого Ж на лабораторной установке с ВТ

фазу записываем уравнением Дарси-Вейсбаха для элемента (1х. Теперь уравнение в частных производных превращается в обыкновенное дифференциальное уравнение

dw dz dp X р w

pw— = -p g---—---—.

dx dx dx D 2

(1)

Уравнение (1) - это баланс четырех видов сил по принципу Даламбера, действующих на единицу объема движущейся среды («силовой» баланс):

I (инерционные) = G (массовые) + Р (давления) + F (вязкостного трения). (2) Преобразуя уравнение (1) для падения давления с использованием уравнения состояния и уравнения неразрывности (р = p/RT, w = G/pF = GRT/pF, GRT

dw = — dp ), после интегрирования получим следующее уравнение Р F

2 2 Ря-Рк ■■

g2rt/'

^+2in [г*

D Uk

(3)

Уравнение (3), так называемое уравнение «разности квадратов давлений», имеет характерный вид: в левой части вместо обычного перепада давлений в нем получается разность квадратов давлений — из составляющей сил давления г) в уравнении Навье-Стокса (1), а в правой части - логарифмический член — из инерционной составляющей 1= pwdw/¿х:.

Дополним уравнение (3) коэффициентом местных сопротивлений (, и получим исходное базовое уравнение для участков вихревой трубы в виде

2 g¿rt

Рп-Рк = „7

XL D

+ ¡¡ + 21n

Üíl Рк

(4)

Расчетную схему вихревой трубы принимаем из пяти участков (рис. 6):

1) завихритель (улитка): полный поток Gm с давлением рт подается через закручивающее сопловое устройство с поворотными каналами и внезапными сужением и расширением на входе и выходе; далее поток раздваивается на «горячий» Ghot и встречный «холодный» Gcold;

2) «горячий» винтовой поток Ghot: поступает с давлением psv/ out = phot 1П и

движется от среза сопел завихрителя в трубе (иногда конической) до дросселя по периферии с расширением до давления перед дроссельной задвижкой .Phot out = Pcoid in ; ВИД потока — струя или система струй из нескольких сопел, деформированная центробежными силами в почти плоско-цилиндрическую, и мощным потоком движущаяся по винтовой линии по периферии трубы;

Горячий винтовой поток Psw out= Pva!ve=

Pout

Poríf

Gcold

Холодный винтовой поток

Рис. 6. Схема обозначений потоков и давлений по длине и сечению вихревой трубы

3) «горячий» поток Ghot выводится из трубы через выходной дроссель (задвижку), через кольцевую щель или открытую часть задвижки;

4) «холодный» обратный поток (?сои ■ движется от края дросселя, по центру, обратно к улитке с изменением давления от />соИ 1П = pva]v до роп{, вид потока -

устойчивая центральная струя увеличивающегося диаметра;

5) «холодный» поток (7соИ выводится из трубы через центральное отверстие диафрагмы после прохождения всей трубы в обратную сторону в виде центрального вихревого-винтового «шнура» со сбросом давления от porif до атмосферного pout.

Решающим при расчете будет правильный выбор определяющих сечений F и, соответственно, расчетных («активных») скоростей w, входящих (косвенно через величины G и F) в уравнение (4) в квадрате и изменяющихся по участкам вихревой трубы в десятки раз, а также диаметров D и длин участков или траекторий потоков L, входящих в диссипативный множитель выражения Дарси-Вейсбаха в правой части уравнения (4).

Система исходных уравнений для вихревой трубы в целом будет включать базовые уравнения вида (4) по числу выделенных гидравлических участков по отдельности или их сумм по участкам вихревой трубы.

Кроме того, необходимо выписать все общие замыкающие эту систему соотношения:

- общий баланс массы: GBX = Grop + GXM; (5)

- баланс массы по потокам: р¡wfi = const, (6)

откуда при известных сечениях и плотностях определяются скорости течения;

- баланс по перепадам давлений общего и по участкам:

откуда из физических соображений должны находиться давления по участкам при известном общем перепаде давлений.

Сначала требуется определить «промежуточные» статические давления на границах участков трубы.

Давления на участках раздуваемой эластичной трубы будут определяться сопротивлениями мысленных пористых перегородок между этими участками. Тогда будет обоснованно предположить, что перепады статических давлений, например, между первыми тремя участками Др^ 2. з (завихритель, горячий поток и дроссель) будут относиться между собой как «чистые» гидравлические сопротивления участков 6/>12, з, рассчитанные без учета термодинамического расширения при фактических скоростях и плотностях газа по уравнению Дарси-Вейсбаха для местных сопротивлений и трения в функциях скоростных напоров на этих участках:

Тогда получаем дополнительное замыкающее соотношение для промежуточных давлений в вихревой трубе при известном общем перепаде рт — роаХ по длине вихревой трубы (9, 10) и их соотношение между собой:

(7)

(8)

(Pm Aw.out) + (.Psw.out — P\alv ) + ÍP\alv — PoutPin ~ Pout Api + áp2 + Ap3 = APx, Т.е. (Pm Psw.out)/(Psw.out Pvalv )/(.Pvalv — Pout) ~

gJrtx_

hk , r

A

+ C2

GjRT3

A

или где

Api / Ар2/ Арз= 5¡/

S -

ól--

v A

v^T

+ ?2

Ч A

+ ?3

(9) (10)

(11)

(12)

(13)

(14)

APl=Pm~ Aw.out; Ap2 = /Vout - pvaIv; Ap3 = Pyaiv - pout.

Обозначим также известную сумму соотношений этих сопротивлений

5,+ 52 + 53 = 5s. (15)

Имея суммы перепадов давлений (10) и их соотношений (15), сами перепады

Api 2 з вычисляем из пропорций по уравнению

/ ч

AZ

APl,2,3

Sl,2,3 '

(16)

а затем по этим перепадам из (14) находим сами два неизвестных промежуточных давления р$к.ои, и на участках вихревой трубы (в данном примере - при заглушённой диафрагме).

Аналогичная процедура проделывается с участками 1-2—4-5 для закрытого дросселя. Это позволяет перевести промежуточные давления в разряд известных и уменьшить число неизвестных при обработке данных.

Таким образом получены следующие расчетные уравнения гидравлических сопротивлений по участкам: для завихрителей

Г,1-V1 - G^RTm .Fin .Fsw.out 2

■^noz.S

Psw.out y

для горячего периферийного потока

„2 _ „2 _ GhotRThot .Photin /yhot out — 2

Miot jet

^screwhot-^screwhot , Phot in

— + 21n-

Aiot

jet

Phot out

для дросселя

„2 2 _ GhotRThot

/valv Pout 2

"act.valv

?va!v+2ln^!v Pout

(17)

(18)

для центрального холодного потока

„2 2 Gcold^cold

"cold in /out" 2

"cold jet

4crew cold-^screw cold , Pcoldin --Hz In-

Д

для диафрагмы

„2 2 _ Gca\áRT- Г

Pc old orif _ /"out —

'cold

F2

^act.orif

cold jet

?onf + 2In

Porii

Pc old orif Pout

(21)

Для нахождения коэффициентов аппроксимации при обработке экспериментальных данных используется схема перебора вариантов из возможного диапазона изменения неизвестных и коэффициентов их аппроксимаций для каждого из проделанных опытов, поскольку линеаризовать систему исходных уравнений не удается.

Расчетные уравнения для однопоточных схем ВТ составляются из сумм вышеприведенных соотношений для их элементов: для трубы с заглушённой диафрагмой

2 2 _ GmRTm

Р m /'out 2

"nozX

Çsw+21n-

Ghot^hot

гЬо1 jet

screw hot .screw hot

A.

•2Ы

jet

Pva.lv

Pin

PsW.Ollt ^hot^hot Г

ract.valv

Cvalv + 21n

Pvalv Pout

; (22)

для трубы с закрытым дросселем

2 2 G?„RT¡,

Pin "Pout =-

in

^cold^cold

noz.Z /

Çsw+21n-

Psw.out

^hotñ3hot

гЬо1 jet

"cold jet

X. T

s civvy cold^screw cold «, Pvalv

-+ 2 In v v

A

cold jet

Pcold orif

Aiotjet f

- + 21nJ

GhatRThot

ract.orif

Çorif+21n

P valve

Pcold orif Pout

(23)

В уравнении (22) - семь неизвестных: а,

DOZ.SWÏ ^'nOZ.SWï nOZS ^Z»

в уравнении (23) - 11 неизвестных, но из них только четыре не входят в уравнение (22): коМ, «опй 2ас1» 2ге5Г.опг- Остальные семь уже получены из обработки первой серии. Для проверки можно получить все 11 неизвестных и сравнить с ранее полученными из первой серии в других условиях.

Например, для серии с трубой Меркулова с диафрагмой 8 мм получены следующие значения коэффициентов сопротивлений при заглушённой диафрагме: а.™ = 0,45; йШ125Ч, = 0,1; «П02 = 0,2; ^=1,36; г7 = 2,5; Хш = 0,025; дЫу= 0,55;

= 0,6; 2ге5р.уа1у = 0,5; = 1,2; Аса1ср = 9,3%.

Для этой же серии при закрытом дросселе недостающие четыре коэффициента получены равными: Хсои= 0,0125; к„п(= 1; нопГ = 0,5; =0,81; гас, = 0,2; 2ге5р.опГ = 0,65; Аса1ср = -2,9%.

Как для этих однопоточных серий, так и для штатного режима работы трубы получены близкие значения с погрешностью по разнице квадратов давлений около 15%.

Тепловой (термодинамический) расчет наиболее объективно проводить на базе: 1) «тормозного» нагрева; 2) расширительного охлаждения; 3) вязкостной диссипации. Для учета отклонений от действительности вводится «коэффициент реальности» А;геаЬ который имеет иной смысл, чем КПД и может быть больше, меньше или равен единице.

1) «Тормозной» нагрев или температура адиабатического торможения Та = Температуру Т^ принимает газ с температурой Т и скоростью ™ при полном адиабатном торможении до нулевой скорости (за счет превращения кинетической энергии потока в тепловую).

Для идеальных газов

IV2

(24)

р

Воздух в наших условиях можно считать идеальным газом.

Из (24) получаем при начальной температуре воздуха на входе Т = 20 °С и теплоемкости ср = 1006 Дж/(кг-°С) для скоростей 50...1000 м/с предельные температуры торможения:

XV, м/с 50 100 200 300 331 400 500 600 700 800 900 1000

ТаЛ, °С 21,2 25 39,9 64,7 74,5 99,5 144,3 198,9 263,5 338,1 422,6 517

Это намного ниже температур нагрева в ВТ и таким образом, несмотря на физическую ясность и очевидную достоверность теоретической термодинамической зависимости (24), расчет реальных температур нагрева потока, которые должны наблюдаться в вихревых трубах, оказывается невозможным и нужно вводить упомянутый «коэффициент реальности»:

^йапсКетр = ^аЛеа! • (25)

2) Расширительное охлаждение в процессе типа детандерного также оказывается в известном смысле в вихревых трубах «умозрительным», так как газ при этом должен совершать внешнюю работу. Однако дросселирование для воздуха вообще отсутствует и приходится выбирать за базу изоэнтропическое расширительное охлаждение.

Теоретически при изоэнтропном расширении идеального газа

ад=(/>2мР~1)/А, т^т^р.г-^. (26)

Для наиболее используемого диапазона давлений в вихревых трубах 1.. .6 атм получаем:

Рх, МПа 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

т2, °С -32,6 -58,9 -75,8 -88,0 -97,4 -105,0

Это, наоборот, намного превышает реальный эффект. Таким образом, и здесь не обойтись без «коэффициента реальности»:

^ехр.соо1 (27)

(Для работы ВТ на воде нет ни детандерного, ни дроссельного эффектов!).

3) Вязкостная диссипация: для воздуха предположительно имеет место дополнительно к трению и местным сопротивлениям, для воды также возможна. Это наиболее сложный и неясный вопрос.

Мощность, затрачиваемая на сжатие газа (без потерь в компрессоре), выражается соотношениями:

для адиабатического сжатия

к — 1

для изотермического сжатия

К Ри

г \(*-i)A Еж. Рн

-1

Вт, AJ 1 ,

NT=V„pu

/V

Вт.

(28)

(29)

В испытанных нами трубах расходы лежат в пределах 0,005.. .0,030 кг/с. При сравнении величин мощностей на адиабатическое и изотермическое сжатие для расходов воздуха GBJ[ = 0,01 кг/с, при давлении на выходе из вихревой трубы 1 ата были получены следующие результаты:

Рк, МПа ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Ns, Вт 636,2 1071 1412 1696 1942 2160

NT, Вт 575,3 911,8 1151 1336 1487 1615

Ns - NT, Вт 60,9 159,2 261 360 455 545

При адиабатическом сжатии расходуемая мощность больше на 10...25%, чем при изотермическом, что объясняется дополнительным расходом энергии на нагрев (которая отводится охлаждением в компрессорной установке). При полном преобразовании этой энергии в тепло нагрев воздуха будет составлять около 50...200 °С (данных по воде нам найти не удалось).

Получаем оценку дополнительного тепловыделения в «условном» виде:

^ad.diss Ns

Veal

ИЛИ N.

ad.diss

= NA

тлгеа1'

(30)

которая легко пересчитывается в температуры дополнительного диссипативного нагрева raddiss.

«Коэффициенты реальности» находятся обработкой экспериментальных данных на базе подтверждаемых и непротиворечивых физико-теоретических соображений.

Например, в наших экспериментах для температур 110... 120 °С они составляли: krcit stagn temp= 1,8...2,2 (на °С), т.е. реальный нагрев существенно выше (при этом скорости на выходе из улитки были 120...200 м/с при давлениях 4...4,5 атм); ^reaiexpcool= 0,2...0,25, т.е. здесь, наоборот, теоретическое «детандерное» охлаждение должно давать перепад температур в 4—5 раз больше; при этом доля горячего потока составляет всего 10...20% от общего; оценка дополнительных диссипатив-ных потерь к,ы ajj Jlss = 10... 15% от мощности компрессора Nb или Л/т — весьма предположительная.

В шестой главе рассмотрены задачи разработки вихревых труб с требующимися параметрами и возможности совершенствования сушильных и других технологических процессов и оборудования с ВТ.

Основное внимание для химической промышленности сосредотачивается при этом на следующем: 1) перспективах использования «горячего» потока из вихревой трубы, так как в настоящее время чаще изучаются возможности применения «холодного» потока в специфической технике сублимационной сушки; 2) повышении температуры воздуха до 120... 150 °С и выше, так как в настоящее время температуры обычно не превышают 100 °С; 3) возможности принципиального увеличения производительности при одновременном снижении требующегося давления воздуха (газа) на входе; 4) получаемые расходы должны обеспечивать достаточные скорости воздуха в рабочих каналах и камерах сушилок с размерами 300...500 мм и выше; 5) требующиеся напоры должны обеспечиваться выпускаемыми вентиляторами (дымососами), а не компрессорами; 6) весьма желательна разработка и применение экономичных воздушных инжекторов для питания вихревой трубы, подсасывающей циркулирующий воздух (также возможно вихревого типа).

По результатам проведенных исследований и на основании сопоставительного анализа энергоресурсосберегающих схем была разработана схема высокотемпературной сушки пигментов с вихревой трубой в цехе № 15 ОАО «Пигмент» (рис. 7). В работе приведена также схема экспериментального стенда, рекомендованного к установке на производственной линии, для проверки и сопоставления восьми вариантов проработанных решений по водо- и газосбережению (Отчет ТГТУ по НИР № 08/04, этапы 2 и 3, 2005 г.).

Рис. 7. Схема распылительной сушки пигментов с вихревой трубой и поверхностным пылеуловителем

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполнена систематизация, даны обзор и анализ разновидностей энерготехнологического обеспечения, путей и способов энергосбережения, обзор общих особенностей и экспериментальной техники по вихревым трубам; выполнен обзор и приведены примеры промышленного оборудования и технологий экономии энергии при тепловой сушке; рассмотрены возможности применения вихревых труб Ранка-Хилша в химических технологиях с целью энергосбережения, позволившие поставить задачу необходимости выполнения работ по созданию типов вихревых труб с увеличением производительности, повышением температуры и снижением необходимого давления, а также экспериментальной проверки для всех конкретных случаев.

2. Создана экспериментальная установка с вихревой трубой и проведено более трехсот экспериментов, позволяющие изучить влияние конструктивно-технологических особенностей вихревых труб различного типа на их режимные характеристики и параметры процесса термосепарации.

3. Отработана методика экспериментальных работ и обработки опытных данных, включающая составление и анализ материальных и тепловых балансов для каждого опыта, выполнение специальных «однопоточных» экспериментов с закрытым дросселем, с заглушённой диафрагмой и в штатном режиме с последующей обработкой результатов по сериям, обеспечивающей наименьшую среднестатистическую погрешность для каждого вида вихревых труб.

4. Впервые разработан и предложен метод инженерного расчета вихревых труб, основанный на анализе методов газогидро- и термодинамики для процессов такого рода и применении этих методов к вихревым трубам, а также на результатах выполненных экспериментов с семью конструктивными вариантами вихревых труб трех типов. Получено уравнение разности квадратов давлений по элементам ВТ, учитывающее расширение сжимаемой среды, применительно к вихревым трубам. Предложены основы теплового расчета на базе трех проверенных эффектов нагрева-охлаждения: тормозной нагрев, изоэнтропическое расширительное охлаждение газа и частичная диссипация затраченной мощности, с введением «коэффициентов реальности», отличающих реальный процесс от базового эффекта. На основе полученных аналитических решений и корреляций разработана и реализована компьютерная методика инженерных расчетов вихревых труб.

5. Проведены модельные исследования по сушке и нагреву суспензий пигментов и послеспиртовой барды в тонких плоских слоях на различных подложках, на основе которых были определены кинетические типы сушки, найдены коэффициенты массо- и теплоотдачи, критические точки, необходимые для расчета кинетики сушки.

6. Показаны задачи разработки вихревых труб для сушки химических продуктов и возможности совершенствования сушильных процессов и оборудования для обработки дисперсных систем: выбора способа теплотрансформации; расчета размеров и характеристик вихревых труб; расчета кинетики сушки на базе темпе-ратурно-влажностных зависимостей.

7. Предложено совершенствование сушильных и других технологических процессов и оборудования и изменения технологии с использованием тепла выхо-

дящей паровоздушной смеси при помощи ВТ (на примере технологии производства азопигментов), в результате которых достигается экономический эффект 20%. Рекомендации приняты к реализации в качестве экспериментального материала на ОАО «Пигмент», г. Тамбов.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

¡1 - доля холодного потока, %; А - погрешность расчетов, %\м>~ скорость воздуха, м/с; Г - температура воздуха, К; в - массовый расход воздуха, кг/с; 2 - количество теплоты, Вт; р - плотность, кг/м3; X — коэффициент трения; £) - диаметр, м; g - ускорение свободного падения, м/с2; Т*1 - площадь, м2; - давление, Па; Л - универсальная газовая постоянная; С, - местные сопротивления; Ь - длина, м; Др — перепад давления на участке, Па; 8 - относительное сопротивление на участке; а, Ъ, коэффициенты аппроксимации; с - теплоемкость; N - мощность, Вт; V- объемная производительность, м3/с.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Современные аналитические подходы к энергосбережению. Интегрированный подход. Пинч-анализ. Луковичная модель / В.И. Коновалов, Т. Кудра, А.Н. Пахомов, А.Ю. Орлов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2008. - Т. 14, № 3. - С. 560 - 578.

2. Романова, Е.В. Возможности использования тепловых насосов в процессе сушки / Е.В. Романова, А.Ю. Орлов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2008. - Т. 14, № 3. -С. 591 - 596.

3. Романова, Е.В. К вопросу о сушке послеспиртовой барды / Е.В. Романова, А.Ю. Орлов // Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов : материалы Междунар. науч.-техн. семинара. - Воронеж : Изд-во ГОУ ВПО «ВГЛТА», 2010. - С. 245 - 248.

4. Коновалов, В.И. Сушка и другие технологические процессы с вихревой трубой Ранка-Хилша: возможности и экспериментальная техника / В.И. Коновалов, А.Ю. Орлов, Н.Ц. Гатапова // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2010. - Т. 16, № 4. - С. 803 - 825.

5. О возможностях высокотемпературной сушки красителей и послеспиртовой барды с вихревой трубой / А.Ю. Орлов, В.И. Коновалов, Н.Ц. Гатапова, Н.В. Орлова // Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов). СЭТТ-2011 : тр. Четвертой Междунар. науч.-практ. конф.-М., 2011.-Т. 1,-С. 381 -383.

6. Коновалов, В.И. Разработка расчета вихревых труб Ранка-Хилша / В.И. Коновалов, А.Ю. Орлов, Т. Кудра // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2012. - Т. 18, № 1. - С. 74 - 107.

Подписано в печать 25.04.2012. Формат 60 х 84/16. 0,93 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 212

Издательско-полиграфический центр ФГБОУ ВПО «ТГТУ» 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, к. 14

61 12-5/3713

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙУНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

ОРЛОВ Андрей Юрьевич РАЗРАБОТКА И РАСЧЕТ СУШКИ С ВИХРЕВОЙ ТРУБОЙ

Специальность 05.17.08 "Процессы и аппараты химических технологий"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Заслуженный деятель науки и техники РФ КОНОВАЛОВ Виктор Иванович

Тамбов 2012

СОДЕРЖАНИЕ стр.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 4

ВВЕДЕНИЕ 6

1 ПРОЦЕССЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ СУШКИ В ХИМИЧЕСКОЙ И ДРУГИХ ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 11

1.1 Промышленное оборудование и технологии экономии энергии

при тепловой сушке 11

1.2 Экспериментальные установки и методики исследования процесса сушки с вихревой трубой 19

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ВИХРЕВОГО ЭФФЕКТА ТЕРМОСЕПАРАЦИИ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ СУШКИ 47

2.1 Современные аналитические подходы к энергосбережению. Пинч-анализ. Луковичная модель. Эксергетический анализ 47

2.2 К вопросу о природе термосепарационного вихревого эффекта 60

2.3 Моделирование вихревой трубы 71

2.4 Моделирование процессов сушки 73

2.5 Моделирование комплексных процессов сушки и нагрева 79

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ТЕХНИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА 84

3.1 Виды дисперсий 84

3.2 Экспериментальные установки и техника проведения экспериментов 89

4 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ОБРАБОТКИ И АНАЛИЗА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ 104

4.1 Материальный и тепловой баланс вихревой трубы 105

4.2 Расчёт сопротивлений участков вихревой трубы 110

4.3 Результаты и качественный анализ экспериментов по сушке на БЦС и на лабораторной установке с ВТ 112

5 ИНЖЕНЕРНАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА ВТ 116

5.1 Вывод базового уравнения сопротивления вихревой трубы с учётом сжимаемости среды 116

5.2 Газодинамический расчёт вихревой трубы и методика обработки экспериментальных данных 121

5.3 Газодинамический и тепловой расчёт вихревой трубы 148

6 ВОЗМОЖНОСТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СУШИЛЬНЫХ И ДРУГИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ОБОРУДОВАНИЯ С ВТ 155

ВЫВОДЫ 165

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 167

ПРИЛОЖЕНИЯ 189

1 Результаты экспериментов по техническим характеристикам вихревых труб 190

2 Программы расчета вихревых труб 213

3 Результаты экспериментов по сушке дисперсий на СВТ и БЦС 242

4 Материалы реализации 256

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Е - потоки эксергии; Л - КПД;

Д - потери эксергии; Г - температура воздуха, К; С - массовый расход воздуха, кг/с; N - мощность, Вт; II - радиус, м;

Л - температурный эффект Джоуля-Томсона; а, /3 - коэффициенты теплоотдачи, массоотдачи; д - количество теплоты, вт; V - объемный расход, м3/с;

■у

р - плотность, кг/м ; X - коэффициент трения; й - диаметр, м;

g - ускорение свободного падения, м/с2; /- площадь, м2; р - давление, Па;

г - универсальная газовая постоянная; ^ - местные сопротивления; Ь - длина, м;

|ы - доля холодного потока, %; А - погрешность расчетов, %;

- скорость воздуха, м/с; Ар - перепад давления на участке, Па; 5 - относительное сопротивление на участке; а, Ь, п, г, к - коэффициенты аппроксимации; с - теплоемкость;

л

у - удельный объём, м /кг (или кмоль).

Индексы

н - начало; к - конец; вх, in - вход; out - выход; sw - завихритель; гор, hot - горячий; хол, cold - холодный; valve - дроссель; orif, or - диафрагма; noz - сопло; jet - струя; act - активный; screw - винтовой; resp - сохранение; ad - добавочный; real - реальный; temp - температура; stagn - стагнация; s- энтропия ; т - изотермический; diss - диссипация.

ВВЕДЕНИЕ

Напряженность энергетического баланса, связанная с ограниченностью запасов топливно-энергетических ресурсов, вызвала необходимость проведения энергосберегающей политики во всех странах мира. Проблема снижения энергозатрат особенно актуальна для российской экономики, поскольку в России энергоемкость промышленного производства и социальных услуг оказывается общемировых показателей, что приводит к увеличению себестоимости продукции и снижению ее конкурентоспособности. [60, 129, 174, 201].

При решении проблем энергосбережения важно определить основные стратегические подходы и методы рационального использования энергоресурсов. Для большинства химико-технологических процессов (ХТП) характерно значительное преобладание эксплуатационных затрат (в первую очередь энергетических) над капитальными (амортизационными). Поэтому экономия энергетических затрат при осуществлении ХТП является важной проблемой, подчас определяющей судьбу самого процесса [7].

Экономия энергоресурсов определяется дальнейшим развитием совершенствованием производств, а также радикальным улучшением использования тепловой энергии на промышленных предприятиях. При этом одним из направлений данного комплекса мероприятий является повышение эффективности работы топливоиспользующих и теплоэнергетических установок, так как именно здесь имеют место высокие потери энергоресурсов. Существенным резервом экономии является использование вторичных энергоресурсов, которые неизбежно появляются во многих энергоемких технологических процессах. Существуют теоретические и инженерные решения, обеспечивающие повышение КПД и эффективность работы теплоиспользующих агрегатов и установок, а также разработки по использованию теплоты вторичных энергоресурсов, обеспечивающие в конечном счете ощутимую экономию топливно-энергетических ресурсов.

-6-

Среди множества процессов химической и смежных отраслей промышленности сушка материалов, полупродуктов или готовых изделий занимает важное место. Она является одним из основных этапов получения многих продуктов. Совокупность параметров проведения данного процесса, конструктивные особенности аппаратного оформления во многом определяют качество и стоимость конечного продукта.

Сушильное оборудование в большинстве отраслей промышленности отстает по производительности от другого оборудования. Кроме того, сушка - один из самых энергоемких процессов. Следовательно, повышение производительности сушилок и разработка оптимального способа использования подводимой теплоты являются важнейшими задачами, от решения которых зависит эффективность работы всей технологической цепочки.

Для сушки дисперсных материалов в промышленности наиболее часто применяются сушилки с конвективным подводом теплоты. Однако, конвективные сушилки, используемые в промышленности, имеют низкий коэффициент полезного действия по теплоте (до 60%), так как паровоздушная смесь, выходящая из рабочей зоны сушильного оборудования имеет высокую температуру и паросодержание. В связи с этим представляется актуальной задача разработки технологических схем, предусматривающих использование теплоты уходящей паровоздушной смеси в технологических целях.

Одним из возможных типов энергосбережения является термотрансформация (теплотрансформация) с использованием вихревой трубы Ранка-Хилша (ВТ). Основной физический феномен вихревого эффекта Ранка - это температурная стратификация сплошной среды: разделение исходного закрученного потока воздуха (газа, пара, жидкости) с равномерной по сечению начальной температурой на входе - на два выходящих потока -«горячий» периферийный и «холодный» осевой.

Проблема термотрансформции до сих пор содержит многочисленные парадоксы и противоречия и представляет значительный научный интерес.

В науке и технике основные вопросы разделения состоят в минимизации энергозатрат и в максимально достижимых КПД. Решение задачи использования тепла в процессе сушки дисперсных материалов в конвективных сушилках с использованием ВТ, требует разработки соответствующей экспериментально-аналитической базы и инженерной методики расчета.

Цель работы. Исследование газо-, гидро- и термодинамических характеристик вихревых труб с целью энергосбережения в процессе сушки и разработка на их основе инженерной методики расчета, позволяющей рассчитать конструктивные параметры вихревой трубы.

Соответственно этому в диссертации были поставлены следующие задачи:

- изучить влияние конструктивно-технологических особенностей вихревых труб различных типов и конструктивных вариантов (ВТ А.П. Меркулова, ВТ Nex Flow 40 (Н, С), ВТ Nex Flow 4 (Н, С)) на их режимные характеристики и параметры процесса термосепарации;

- провести исследования по сушке и нагреву пастообразных и сыпучих материалов в тонких плоских слоях на различных подложках;

- выяснить кинетические типы сушки (на примере азопигментов), найти коэффициенты массо- и теплоотдачи, критические точки и другие характеристики, необходимые для расчета кинетики сушки;

- разработать методику обработки полученных экспериментальных данных на ВТ, на основе материального и теплового балансов и дополнительных однопоточных экспериментов при закрытом дросселе и при заглушённой диафрагме;

- разработать инженерную методику расчета вихревых труб, позволяющую определять сопротивления вихревой трубы и ее элементов,

общее сопротивление, расходы и потребляемую мощность с учетом размеров ВТ и анализировать роль и качество конструкции элементов трубы; - разработать схему технологической линии с использованием вихревой трубы на стадии сушки (на примере азопигментов).

В связи с характером работы большую ее часть оказалось необходимым посвятить особенностям работы вихревых труб.

Научная новизна. Впервые предложена и отработана методика получения и обработки экспериментальных данных на вихревых трубах, заключающаяся в проверке материального и теплового балансов, проведении дополнительных однопоточных экспериментов и в последовательной обработке результатов по сериям.

Впервые разработан инженерный газогидродинамический метод расчета, основанный на определении сопротивлений вихревой трубы и ее элементов, получено основное расчетное уравнение «разности квадратов давлений», учитывающее расширение сжимаемой среды. Предложен тепловой расчет, базирующийся на явлениях нагрева торможением, расширительного охлаждения и вязкостной диссипации с введением «коэффициентов реальности».

Практическая ценность. Создана экспериментальная установка с вихревой трубой и проведены эксперименты с вихревыми трубами различных типов (ВТ А. П. Меркулова, ВТ Nex Flow 40 (Н, С), ВТ Nex Flow 4 (Н, С)), позволившие определить характеристики вихревых труб, возможности их применения и разработать метод инженерного расчета.

На базе полученных аналитических решений и корреляций разработана и реализована компьютерная методика инженерных расчетов вихревых труб.

Предложена модернизация технологической линии по производству азопигментов с использованием для энергосбережения вихревой трубы на стадии сушки.

Апробация работы. Результаты работы доложены на Международном научно-техническом семинаре «Актуальные проблемы сушки и

-9-

термовлажностной обработки материалов», г. Воронеж, 2010 г.; Четвертой Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов). СЭТТ-2011», г. Москва, 2011 г.

Результаты работы используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «ТГТУ» при изучении дисциплины «Теоретические основы энергоресурсосбережения».

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано пять печатных работ, в том числе четыре в журнале по перечню ВАК.

Объем работы. Диссертация изложена на 254 страницах основного текста и состоит из введения, шести основных глав, выводов, списка литературы и приложения.

Настоящая работа по изучению возможности сушки с ВТ является законченной самостоятельной составной частью проводимых под руководством профессора В.И. Коновалова комплексных исследований по сушильно-термическим процессам. Автор выражает благодарность за помощь в работе В.И. Коновалову, Н.Ц. Гатаповой, А.Н. Колиуху, А.Н. Пахомову и коллективу кафедры «Технологические процессы и аппараты», а также кафедре «Гидравлика и теплотехника» и лично Н.П. Жукову за предоставленный один из вариантов вихревой трубы А. П. Меркулова.

1 ПРОЦЕССЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ СУШКИ В ХИМИЧЕСКОЙ И ДРУГИХ ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

1.1 Промышленное оборудование и технологии экономии энергии при тепловой сушке

Тепловая сушка является теплопотребляющим теплотехническим процессом, в результате осуществления которого получают товарную или промежуточную продукцию. Вопросы экономии тепла при тепловой сушке являются частью общей задачи повышения эффективности и должны рассматриваться с учетом комплекса факторов, определяющих эту эффективность.

Сушильные установки (СУ) относятся к теплотехнологическим установкам, так как представляют собой устройства, в которых процессы переноса теплоты и массы обеспечивают изменение технологических свойств обрабатываемого материала. Обычно они входят в состав более сложных систем [55, 60].

Наиболее полный анализ использования подведенной энергии, в том числе к СУ, может быть сделан на основе так называемых аналитических фактических энергетических балансов. Выявляемые при этом энергетические потери определяются разностью между количествами подведенной и полезно использованной энергии. Согласно [60, 152] потери энергии в системах можно классифицировать следующим образом:

1) по возможности и целесообразности устранения: полные потери; потери неустранимые, определяемые особенностями технологии, оборудования; потери, устранение которых технически возможно; потери, устранение которых в данных условиях экономически целесообразно;

2) по месту возникновения: при добыче энергоносителей, при хранении, при транспортировании, при переработке, при преобразовании, при использовании;

3) по физическому признаку и характеру: потери теплоты в окружающую среду с уходящими газами, с технологической продукцией или отхода-

ми, из-за уноса материала; потери электроэнергии в трансформаторах, линиях электропередачи и т.д.; потери с утечками через неплотности и др.; гидравлические (аэродинамические) потери напора при дросселировании, движении в каналах; механические потери (например, на трение);

4) по причинам возникновения потерь: из-за конструктивных недостатков, из-за неправильного выбора технологического режима обработки, из-за неправильной эксплуатации оборудования, из-за низкого качества ремонта, из-за брака продукции.

Технологические процессы, включающие обезвоживание, можно представить состоящими из трех стадий: 1) подготовительной, когда используют аппараты подготовки сушильного агента и. сушимого материала; 2) основной, реализуемой при помощи сушильных (одной или нескольких) камер; 3) заключительной, в которую могут входить утилизация вторичных энергетических ресурсов, улавливание пыли и т. п.

В соответствии с таким укрупненным представлением групп технологических процессов на каждой стадии существуют в зависимости от вида сушимого материала свои специфические способы повышения тепловой экономичности.

Анализ литературных источников по теории, технике и технологии сушки позволяет назвать такие способы снижения удельных затрат на обезвоживание материала на подготовительной стадии, как предварительное нагревание, пенообразование, дробление, воздействие поверхностно-активного вещества (ПАВ), виброобработка, снижение энергии связи влаги со скелетом материала, совершенствование тепловых генераторов и др.

На заключительной стадии снижение тепловых затрат достигается в основном за счет утилизации теплоты уходящих газов и высушенного материала. Эта теплота с помощью рекуперативных, регенеративных или контактных теплообменников используется для нагрева воздуха, подаваемого в топочную камеру, теплофикационной или технологической воды, предварительного подогрева сушимого материала. Достаточно эффективна утилизация теплоты сушильного агента в контактных теплообменниках.

-12-

О.Л. Данилов и Б.И. Леончик [60] предложили следующую классификацию методов повышения тепловой экономичности конвективных СУ:

1) теплотехнологические (касающиеся сушильной установки в целом);

2) кинетические (способствующие повышению интенсивности сушки и тем самым влияющие на габариты установки и ее КПД).

В первой группе методов можно выделить:

1) теплотехнические (выбор тепловой схемы, режимных параметров сушки, режимов работы установки, коэффициентов рециркуляции, управление конечным влагосодержанием сушильного агента и т. д.);

2) конструктивно-технологические (оптимизация числа зон промежуточного подогрева, выбор направления взаимного движения сушильного агента и материала, совершенствование систем подвода теплоты, улучшение аэродинамической обстановки в сушилке и т.д.);

Вторая группа методов подразделяется на:

1) методы интенсификации вн�