Лекція 18.

Конвективна сушарка. Розрахунок матеріального й  теплового балансів.

Матеріальний  і тепловий баланс сушіння

   Матеріальний  баланс

     Баланс  по матеріалу, що висушується, є загальним  для конвективного, контактного  й іншого видів сушіння.

     Для складання балансу позначимо:

G₁ - кількість вологого матеріалу, що надходить на сушіння, кг/год;

G₂ - кількість висушеного матеріалу, кг/год;

w₁ і w₂ - початкова і кінцева вологість матеріалу відповідно, %

W - кількість вологи, що видаляється з матеріалу  при сушінні, кг/ч.

     Матеріальний  баланс по всьому матеріалі, що піддається сушінню:

          (1)

     По  абсолютно сухій речовині в матеріалі, що висушується:

,        (2)

     Таким чином:

         (3)

чи

.         (4)

     Звичайно  метою складання матеріального  балансу є визначення кількості  вологи W, що видаляється при сушінні.

,          (5)

чи

,       (6)

а також:

            (7) 

     

Рисунок 1. Зміна вологості матеріалу в процесі сушіння 

     Якщо  кількість вологи W відомо, то ми можемо з останнього рівняння визначити  кількість висушеного матеріалу G₂.

     Рівняння  для розрахунку W є основними рівняннями матеріального балансу процесів сушіння.

     При розрахунку конвективних сушарок крім балансу по матеріалу, що висушується, складають матеріальний баланс по волозі, з якого знаходять витрати  сухого повітря на сушіння.

     Розглянемо  основну схему процесів конвективного сушіння на прикладі повітряної сушарки, у якій повітря нагрівається тільки в підігрівнику (калорифері) перед сушаркою й однократно проходить через сушарку (рисунок 2).

     Отже, нехай на сушіння надходить повітря  з вологовмістом Х₀ кг/кг сухого повітря, причому витрата абсолютно сухого повітря складає L кг/г.

     Із  сушарки (при відсутності втрат  повітря) виходить така ж кількість  абсолютна сухого повітря, а вологовміст  міняється до Х₂ кг/кг сухого повітря. Кількість вологи, що випаровується з матеріалу в сушарці, складає W кг/г.

     

Рисунок 2. Принципова схема конвективної сушарки безперервної дії 

     Матеріальний  баланс по волозі:

          (8)

     Визначимо витрата абсолютно сухого повітря на сушіння:

           (9)

     Питома  витрата повітря на випар з  матеріалу 1 кг вологи дорівнює:

          (10)

Тепловий  баланс сушарок

     Розглянемо  теплові баланси найбільш розповсюджених конвективних і контактних сушарок.

     Конвективні сушарки

     На  сушіння надходить G₁ кг/год вихідного матеріалу, що має температуру q₁°С. У сушарці з матеріалу випаровується W кг/год вологи, а із сушарки віддаляється G₂ кг/год висушені матеріали при температурі q₂°С.

     Позначимо питому теплоємність висушеного матеріалу С_м Дж/(кг×град) і теплоємність вологи с_в Дж/(кг×град). [ для води с_в = 4,19 Дж/(кг×град) ].

     У сушарку  подається вологе повітря (сушильний  агент), що містить L кг/год абсолютно сухого повітря. Перед калорифером повітря має ентальпію I₀ Дж/кг сухого повітря, після нагрівання, тобто на вході в сушарку, ентальпія повітря підвищується до I₁ Дж/кг сухого повітря. У процесі сушіння в результаті передачі тепла матеріалу, поглинання вологи, що випаровується з матеріалу, і втрати тепла в навколишнє середовище ентальпія повітря змінюється і на виході із сушарки ентальпія відпрацьованого повітря дорівнює I₂ Дж/кг сухого повітря.

     Варто враховувати, що в сушарці можуть бути транспортні пристрої, на яких знаходиться матеріал, що висушується (наприклад, вагонетки і т.і.). Нехай маса цих пристроїв G_т кг, питома теплоємність їхнього матеріалу с_т Дж/(кг×град), температура на вході в сушарку t_тн. У сушарці температура транспортних пристроїв зростає і досягає t_тк на виході із сушарки.

     Далі  К₁ - калорифер, установлений перед сушаркою;

     К₂ - калорифер усередині камери сушарки.

     З урахуванням  утрат тепла сушаркою в навколишнє середовище, маємо:

     Прихід  тепла

 

     Витрата тепла

 

     Для сталого процесу сушіння тепловий баланс має вид:

    (11)

     З цього  рівняння можна визначити загальну витрату тепла ( Q_к + Q_д) на сушіння:

      (12)

     Розділивши  обидві частини на W, одержимо вираз  для питомої витрати тепла (тобто на 1 кг випаруваної вологи):

.     (13)

     Питома  витрата тепла в основному (зовнішньому) калорифері можна представити у  виді:

.          (14)

     Підставивши це вираження в останнє рівняння, одержимо:

.    (15)

чи

.      (16)

 позначимо  .

     Тоді:

          (17)

чи

.           (18)

     Вхідна  в рівняння величина D, виражає різницю між приходом і витратою тепла безпосередньо в камері сушарки, без обліку тепла, принесеного повітрям, нагрітим у калорифері.

     Величину D називають внутрішнім балансом сушильної камери.

     Підставляючи  в рівняння для D, значення L , одержимо:

         (19)

     Для аналізу і розрахунку процесів сушіння  зручно ввести поняття про теоретичну сушарку, у якій температура матеріалу, що надходить на сушіння, дорівнює нулю, немає витрати тепла на нагрівання матеріалу і транспортних пристроїв, немає додаткового підведення тепла в самій сушильній камері і втрат тепла в навколишнє середовище.

     Отже, для теоретичної сушарки:

        (20)

і

D = 0.            (21)

     При цьому відповідно до рівняння теплового балансу при L¹0 для теоретичної сушарки:

           (22)

     Процес  сушіння в такій сушарці зображується на I-х діаграмі лінією I = const.

     Це  означає, що випар вологи в теоретичній  сушарці відбувається тільки за рахунок охолодження повітря, причому кількість тепла, переданого повітрям, цілком повертається в нього з вологою, що випаровується з матеріалу.

     У дійсних  сушарках ентальпія повітря в  сушильній камері звичайно не  залишається  постійної. Якщо прихід тепла в камері сушарки (q_д + с_в×q₁₎ більше його витрати (q_м + q_т + q_п), тобто величина D позитивна, то ентальпія повітря при сушінні зростає (I₂ > I₁). При негативному значенні D ентальпія повітря в процесі сушіння зменшується і I₂ < I₁.