Тепловий баланс повітряної сушки
Припустимо, що на висушування надходить вологий матеріал в кількості кг / год. Одночасно в сушильну камеру можуть вводиться транспортні пристосування (стрічковий транспортер, вагонетки і т.д.), кг / год. Крім того (рисунок 171), в сушилку вводиться L кг / ч абсолютно сухого повітря. Для підігріву повітря спочатку в калорифері, а потім в сушильній камері до нього підводяться кількості тепла відповідно і кДж / ч.
- теплоємність висушеної частини вологого матеріалу, кДж / (кг. град);
- теплоємність транспортних пристосувань, кДж / (кг. град);
- температура надходить на сушіння матеріалу, К;
- температура матеріалу після сушіння, К;
- температура транспортних пристосувань при вході в сушильну камеру, К;
- температура транспортних пристосувань при виході з сушильної камери, К;
- ентальпія повітря на вході в сушильну камеру, кДж / кг сухого повітря;
- ентальпія повітря після нагрівання в калорифері, кДж / кг сухого повітря;
- ентальпія повітря на вході з сушильної камери, кДж / кг сухого повітря;
- втрати тепла в навколишнє середовище, кДж / ч.
Згідно зі схемою теплових потоків (рисунок 171), тепловий баланс процесу можна уявити рівністю
З цієї рівності можна визначити витрата тепла на сушку:
Віднесемо всі витрати тепла до 1 кг випаровується при сушінні вологи і позначимо питомі витрати наступним чином:
Тоді попереднє рівняння матиме вигляд
З цього рівняння випливає:
При прийнятих позначеннях питома витрата тепла в калорифері можна також представити у вигляді
і висловити загальна питома витрата тепла з рівняння (1 + 1 .24) як
а тепло, що вводиться додатково в сушильній камері, з рівнянь (1 + 1 .26) і (1 + 1 .27) як
Останні три рівності використовують при визначенні витрати тепла на процес сушіння. З рівняння (1 + 1 .27) слід, що витрата тепла на сушку залежить головним чином від початкових і кінцевих параметрів повітря,,,; крім того, він підвищується зі збільшенням різниці між початковою і кінцевою температурами висушується і з ростом тепловтрат в навколишнє середовище.
Зіставивши рівності (1 + 1 .25) і (1 + 1 .26) і виконавши перетворення. отримаємо.
З огляду на рівність (1 + 1 .19), маємо:
Замість кінцевих значень H 2 і X 2 візьмемо будь-які проміжні значення і знайдемо
Останнє рівняння є рівнянням прямої, тобто залежність між параметрами і в процесах сушіння прямолінійна.
3. Виходячи з заданого режиму сушіння, і витрат агента сушіння, визначають необхідну поверхню тепло- і масообміну матеріалу, що забезпечує задану продуктивність сушарки.
За величиною поверхні тепло- і масообміну знаходять габарити сушильної камери. При розрахунку промислових сушарок за експериментальними даними, отриманими на модельній установці, необхідно приділяти велику увагу можливості гідродинамічного і теплового моделювання. У деяких випадках вводять поправочні коефіцієнти на рівномірність розподілу матеріалу і агента сушіння по поверхні і об'єму сушильної камери, на рівномірність розподілу матеріалу в агента сушіння.
Наприклад, в сушарках з киплячим шаром малих розмірів (діаметром до 300 мм) отримують більш близьке до ідеального перемішування (без застійних зон), ніж в промислових сушарках діаметром до 5 м. Цим пояснюється те, що на модельних установках можна використовувати без перегріву матеріалу більш високі початкові температури агента сушіння в порівнянні з температурами в промислових установках. У малих розпилювальних сушарках можливо кращий розподіл диспергированного матеріалу і агента сушіння, ніж в промислових апаратах, тому об'ємні коефіцієнти теплообміну в першому випадку більш високі і т.п.
4. Розраховують кінетичні характеристики сущкі, для чого визна -
деляют кількість вологи W, що випаровується з одиниці поверхні F висушується за одиницю часу. Таким чином, швидкість сушіння являє собою відношення:
де t - час сушки, с.
Знаючи швидкість сушіння, визначають тривалість періодичного процесу сушіння або поверхню матеріалу, що висушується при сушінні безперервним способом і встановлюють габаритні розміри сушильних апаратів.
Швидкість сушіння, як массообменного процесу, слід основного рівняння масопередачі, згідно з яким
де K - коефіцієнт масопередачі; - середня рушійна сила процесу.
Як видно з розгляду статики сушіння, рушійна сила процесу сушіння визначається різницею тисків. тобто різницею тиску парів вологи у поверхні матеріалу і парціального тиску пари в повітрі (або чистого пара).
Розрізняють два періоди сушки: період постійної швидкості і період падаючої швидкості процесу.
Протягом першого періоду волога випаровується з усієї поверхні матеріалу так само, як вона випаровується з дзеркала випаровування деякого об'єму рідини. В цьому періоді швидкість сушіння постійна і визначається лише швидкістю зовнішньої дифузії, тобто дифузії парів вологи з поверхні матеріалу в навколишнє середовище.
У другому періоді швидкість сушіння визначається внутрішньої дифузією - переміщенням вологи зсередини матеріалу до його поверхні. З початком другого періоду поверхню подсохнувшего матеріалу починає покриватися кіркою і поверхня випаровування вологи постійно зменшується, що призводить до збільшення опору внутрішньої дифузії і до безперервного зменшення швидкості сушіння.
Залежно від товщини і структури деяких матеріалів випаровування вологи з їх поверхні в кінці другого періоду припиняється зовсім і відбувається всередині матеріалу. Тому відповідно до характером видалення вологи, другий період сушки часто складається з двох стадій: стадії рівномірно падаючої швидкості і стадії нерівномірно падаючої швидкості.
Малюнок 172 - Крива сушіння матеріалу і зміна його температури в процесі сушіння.
Двом основним періодам передує деякий період прогріву матеріалу до температури сушки.
Кінетика сушіння визначається зазвичай шляхом зважування зразків матеріалу на початку сушіння та через певні проміжки часу. За вагою зразків розраховують абсолютну вологість матеріалу в різні моменти і будують криву залежності абсолютної вологості від часу. яка називається кривою сушіння (рисунок 172). З цієї кривої можна визначити швидкість сушіння.
Швидкість сушіння, що характеризується зміною абсолютної вологості в одиницю часу, може бути знайдена для кожного даного моменту, як тангенс кута нахилу кривої сушки (наприклад, для точки на малюнку 172). Знайдені значення швидкості сушки наносять на графік як функцію абсолютної вологості, і отримують криву швидкості сушіння (рисунок 173). Графічне зображення процесу у вигляді кривих сушіння і кривих швидкості сушіння дає можливість встановити різні періоди його протікання.
Розглядаючи криві на малюнку 172 і 173 можна розрізнити перераховані вище періоди сушки матеріалу.
Малюнок 173 - Крива швидкості сушіння.
Період прогріву матеріалу (відрізок АВ на рисунку 173) є, як правило, короткочасним і характеризується несталим станом процесу. За цей період температура матеріалу підвищується до температури мокрого термометра. але його вологість знижується незначно. Швидкість сушіння зростає і до кінця періоду прогріву досягає максимальної величини.
У період постійної швидкості (прямолінійний відрізок ВК 1) швидкість процесу є найбільшою, температура матеріалу.
Початкова точка К1 періоду падаючої швидкості (відрізок До 1 До 2 С) називається першою критичною точкою, а вологість матеріалу в цій точці - першої критичної вологістю.
Період падаючої швидкості складається, в свою чергу, з двох стадій: рівномірно падаючої швидкості (прямолінійний відрізок До 1 До 2 на малюнку 173) і нерівномірно падаючої швидкості (крива До 2 С).
Точка К 2 називається другий критичною точкою, а відповідна їй вологість матеріалу - другий критичної вологістю. До кінця другого періоду температура матеріалу підвищується і досягає температури повітря або середовища життє, що оточують матеріал. Одночасно вологість матеріалу знижується до рівноважної по всій його товщині. З моменту досягнення рівноважної вологості швидкість сушіння стає рівною нулю. При подальшому перебуванні матеріалу в сушарці його вологість залишається постійною (відрізок С на малюнку 172).
Для різних матеріалів окремі періоди сушки можуть бути різні за часом або бути відсутнім зовсім. Так, при сушінні плоских пластин процес закінчується етапом рівномірно падаючої швидкості (лінія процесу АВК 1 До 2 на малюнку 173)
Тривалість сушіння матеріалу досить точно можна встановити тільки досвідченим шляхом. Загальну тривалість процесу визначають розрахунком як суму тривалості сушіння в період постійної швидкості і тривалості її в період падаючої швидкості, приймаючи, що падіння швидкості сушіння в другому періоді відбувається прямолінійно.
Тривалість сушіння в окремі періоди визначають за такими формулами
в період постійної швидкості
в період падаючої швидкості
Відповідно загальна тривалість сушіння може бути наближено визначена за рівнянням
де. і - початкова, кінцева і рівноважна вологість матеріалу, кг вологи на 1 кг сухої речовини; - перша критична вологість матеріалу (в кінці першого періоду сушки).
Вхідна в рівняння (10.36) величина C називається коефіцієнтом сушіння і виражається кількістю кг испаренной вологи в сек, а саме в 1 кг сухої речовини.
Позначаючи кількість испаренной вологи W кг, кількість сухої речовини в висушують матеріалі G сухий кг і час сушки t. отримаємо такий вираз для коефіцієнта сушіння:
де b - коефіцієнт массоотдачи в газовій фазі, кг / м 2 з f - питома поверхня сухого речовини, м 2 / кг абсолютно сухої речовини; D ср - середня рушійна сила, рівна середньої різниці вологовмісту повітря в насиченому і робочому станах.
При змінних параметрах повітря величина з достатньою для технічних розрахунків точністю може бути визначена як середня логарифмічна різниць влагосодержания матеріалу і повітря на початку і в кінці кожного періоду сушки.
Для визначення b можна користуватися критеріальним рівнянням:
Визначальним розміром при обчисленні і є величина - довжина поверхні випаровування у напрямку руху сушильного агента.
Що входить до рівняння (1 + 1 .38) критерій Гухман характеризує вплив масообміну на теплообмін при одночасному протіканні цих процесів. Критерій виражається формулою:
де - теплота випаровування вологи, Дж / кг; - коефіцієнт тепловіддачі від повітря, Вт / м 2 град; t - температура повітря, оС
Величини A і n в рівнянні (1.36) залежать від критерію Re
Швидкість сушіння залежить також від напрямку руху сушильного агента щодо висушується.
При прямотоке вологий матеріал на вході в сушарку стикається зі свіжим гарячим повітрям, тому сушка спочатку протікає інтенсивно, а потім сповільнюється, причому в кінці сушарки температура матеріалу наближається до температури t 2 відпрацьованого повітря.
При противотоке вологий матеріал спочатку стикається з відпрацьованим повітрям, а висушений матеріал - з свіжим гарячим повітрям, що поступає в сушарку. Внаслідок цього сушка спочатку йде повільно, в кінці ж вологість матеріалу швидко зменшується, а його температура зростає, наближаючись до температури t 1 сушильного агента, і може виявитися вище допустимої для даного матеріалу.
Тому при сушінні топковим газами (або іншим сушильним агентом, що має високу температуру) застосовують прямоток. Противоток воліють при сушінні матеріалу до низької кінцевої вологості, яка досягається в цьому випадку за більш короткий час.
Розрахунком не враховується ряд факторів, що впливають на тривалість сушіння, а саме: нерівномірне омивання матеріалу повітрям, наявність "мертвих" зон, зміна температури матеріалу та ін. Тому теоретичне час сушки, отримане за формулою (10.36), множать на поправочний коефіцієнт, рівний 1,5 2 і більше.
Зважаючи на складність розрахунку динаміки сушіння (дифузія вологи в різні періоди сушки, швидкість і тривалість сушіння) на практиці часто обмежуються статичним розрахунком за середніми даними, приймаючи за вихідну величину середня кількість вологи, що випаровується в одиниці об'єму сушильної камери (для конвективних сушарок) або на одиницю гріючої поверхні (для контактних сушарок), тобто величину напруги сушарки по волозі A в кг / м 3 * год або в кг / м 2 * ч.
Середній температурний напір для першого періоду сушки:
де - початкова температура сушильного агента; - температура сушильного агента в кінці першого періоду. Відповідно знаходимо температурний напір для другого періоду сушіння
де - кінцева температура сушильного агента; - кінцева температура матеріалу, що висушується. Середній температурний напір для всього процесу сушіння визначають по формулі:
де - відношення тривалості сушіння у другому періоді до загальної тривалості сушіння.
Величини і визначаються відповідно за формулами (1 + 1 .34) і (1 + 1 .35).
Відповідні вирази для і можуть бути отримані для противотока сушильного агента і висушується.
При відносно високій кінцевої вологості висушуваного матеріалу величина може бути визначена наближено за рівнянням
5. Розраховують кінетичні характеристики сушарки.
Розраховують допоміжне обладнання установки (пилеулав-Ліван пристрої, топки, калорифери), підбирають вентиляційні пристрої і т.д.
В кінці розрахунку визначають питомі витрати тепла, електро- енергії, газів і т.д. і становлять техніко-економічні показники установки.
Вибір агента сушіння обумовлюється технологією цього процесу і наявністю тих чи інших джерел тепла. Основними його джерелами є рідке або газоподібне паливо, пар, електроенергія; в рідкісних випадках може бути використана сонячна радіація. (спеціальні геліоустановки - котли). Для оцінки вартості сушіння треба знати джерело отримання пара, (самостійна котельня або теплова електрична станція). Радіаційну і кондуктивную сушку в основному використовують для тонких гнучких матеріалів або коли небажано мати велику кількість газового теплоносія. Найбільш широко використовується конвективная сушка, при якій в якості агента сушіння застосовують нагріте повітря або азот, топкові гази, перегрітий водяний пар або пари органічних рідин. Повітря вживається в тих випадках, коли температура сушки невисока і присутність кисню в агента сушіння не впливає на властивості матеріалу, що висушується.
Слід зазначити, що використання теплообмінників з жароміцної сталі дозволяє нагрівати повітря до 500 ° С, а в системах з проміжним твердим теплоносієм - до 800 - 1000 о С. Однак такі теплообмінники поки ще не знайшли широкого застосування в промисловості.
Топкові гази використовуються, як правило, при високотемпературній сушці, коли матеріал не взаємодіє з містяться в них двоокисом вуглецю або сірчистим ангідридом, якщо в якості палива використовують мазут або вугілля. Азот застосовується в основному в тих випадках, коли матеріал може піддаватися окисленню або є вибухонебезпечним або ж вибухонебезпечна випаровується з матеріалу рідина. При використанні в якості агента сушіння азоту сушильні установки працюють по замкнутому циклу. Якщо матеріал не змінює своїх властивостей при температурі до 130 ° С, то для сушіння можна використовувати перегрітий пар. При сушінні деяких полімерних матеріалів в підвішеному і напівзважена стані в сушильній установці накопичуються великі електростатичні заряди. У цих випадках, щоб уникнути вибухів апарату крім заземлення його корпусу раціонально використовувати для сушки азот або перегрітий пар (наприклад при сушінні поліетилену, деяких сополімерів стиролу і т.д.)
Для матеріалів, надзвичайно чутливих до нагрівання, застосовується так звана холодна сушка, тобто використовується попередньо осушене повітря при температурі не вище 40 о С (сушка латексних радіозондових оболонок великих розмірів, фотоемульсії і т.д.), тому що при низьких температурах окислювальні процеси значно сповільнюються. Глибока осушення повітря проводиться на силікагелі, причому встановлюють два осушувача, з яких один працює. а в іншому відбувається регенерація силикагеля шляхом пропускання через нього, наприклад, гарячих газів.
Як осушающего адсорбенту можуть бути використані також фосфорний ангідрид і хлористий кальцій. При неглибокій ступеня осушення повітря застосовують кондиціонери, зрошувані водою, попередньо охолодженої в гликолевих установках. При сушінні хімічно чистих матеріалів повітря необхідно очистити від пилу в спеціальних фільтрах (паперові, вісцинові і ін.). Зовнішнє повітря доцільно забирати з більш високих шарів атмосфери, де він містить менше пилу