Лекція 19.

Розрахунок  матеріального й  теплового балансів по І-х діаграмі. Варіанти процесів сушіння та їх аналіз

Визначення  витрат повітря і  тепла на сушіння.

     До  числа основних задач технологічного розрахунку конвективних сушарок відноситься  визначення витрат повітря (газу) і тепла на сушіння.

     Ці  величини можуть бути знайдені як чисто  аналітичними, так і графоаналітичним шляхом.

Графоаналітичний  розрахунок процесу  сушіння

 

     Розглянемо  зображення процесу сушіння в  теоретичній сушарці. Для розрахунку повинні бути відомі два будь-яких параметри зовнішнього повітря: звичайно такими параметрами є його температура t₀ і відносна вологість φ₀. По перетинанню ліній t₀ = const і j₀ = const знаходять точку А, що характеризує стан повітря перед калорифером.

     З т. А проводять вертикаль до перетинання з ізотермою  t₁ = const, де  t₁ - температура повітря після калорифера, що повинна бути задана.

     Точка перетинання В характеризує стан нагрітого повітря перед входом у сушильну камеру. Вертикальний відрізок АВ зображує процес нагрівання повітря в калорифері, що протікає при x₀ = x₁ = const. (x₁ - вологовміст нагрітого повітря).

     Зображення  процесів сушіння на I-x діаграмі

     а) теоретична сушарка (рисунок. 1);

     б) дійсна сушарка (рисунок 2).

     Ламана  лінія АВС - графічне зображення всього процесу зміни стану повітря в теоретичній сушарці (у калорифері й у сушильній камері), що працює за основною схемою.

     Завершивши  побудову, для точок А и С  знаходять на діаграмі значення x₀ = x₁ і x₂ і для точок В и А - значення I₁ і I₀, за допомогою яких визначають питому витрату тепла q_к в основному калорифері. Помноживши величини l і q_к на W, знаходять витрати повітря L і тепла Q на сушіння.

     Домашнє завдання.

     Для зображення процесу в дійсній  сушарці з крапки А, що характеризує стан повітря перед калорифером, проводять вертикаль до перетинання з заданою ізотермою t₁ = const. З т. перетинання В, що характеризує стан нагрітого повітря перед входом у сушильну камеру, проводять лінію I₁ = const довільної довжини. На цій лінії вибирають будь-яку крапку е і відкладають від її нагору (при D > 0) чи вниз (при D < 0) відрізок

           (1)

де ef - відстань по горизонталі від крапки е до лінії АВ (х₀=х₁=const);

М = m_у/m_х - відношення масштабів діаграми I-X.

     Кінець  відрізка еЕ (т.Е) лежить на лінії процесу  в дійсній сушарці. Тому, з'єднуючи  крапки Е и В і продовжуючи  відрізок ВЕ до перетинання з заданою  ізотермою t₂=const (j₂=const), знаходять крапку С₁ чи С₂, що виражає стан відпрацьованого повітря. Опускаючи з крапки С₁ чи С₂ перпендикуляр на вертикаль АВ, будемо мати відповідно відрізок С₁Д₁ чи С₂Д₂, що характеризує збільшення вологовмісту повітря в сушильній камері в умовах дійсного процесу.

     При відомих параметрах зовнішнього  повітря (звичайно t₀ і φ₀) розрахунок сушарок можливий і в тому випадку, якщо температура нагрівання повітря t₁ не задана в явному виді, а відомі які-небудь два параметри обробленого повітря (наприклад, t₂ і φ₂₎. У цьому випадку побудова процесу починають від заданої крапки (С, С₁ чи С₂).

     Для теоретичної сушарки (див. мал. А) із заданої крапки С проводять лінію I₁=I₂=I=const до перетинання з вертикаллю х₀=const у крапку В, через який і проходить шукана ізотерма t₁=const.

     Побудова  процесу для дійсної сушарки  так само починають від заданої крапки С₁ (при D>0), від якої відкладають униз (у масштабі ентальпій) відрізок С₁К₁=D/l=D(х`₂-х₀)/m_У (див. мал. б) і через отриману крапку К₁ проводять лінію I₁=const до перетинання з лінією Х₀=const у крапці В. Через цю крапку буде проходити шукана ізотерма t₁=const. Крапку В, що характеризує стан повітря при надходженні в сушильну камеру, з'єднують із крапкою С₁. Лінія АВС₁ зображує процес у дійсній сушильній камері при D>0, коли зміна стану повітря в сушильній камері відбувається з підвищенням энтальпії (I₂>I₁).

     

Рисунок. 1. Зображення процесу сушіння на І-x діаграмі (теоретична сушарка)  

     

Рисунок. 2. Зображення процесу сушіння на I-x діаграмі (дійсна сушарка)

     При D<0, коли зміна стану повітря в сушильній камері відбувається зі зниженням ентальпії (I₂<I₁), відрізок С₂К₂=D/l=D(х``₂-х₀)/m^'_У відкладають нагору від заданої крапки С₂. Через отриману крапку К₂ проводять лінію I₁=const до перетинання з лінією Х₀=const у крапці В.

Варіанти  процесу сушіння

 

     При визначеному сполученні властивостей сушильного агента і швидкості його руху щодо матеріалу досягається той чи інший режим сушіння в конвективній сушарці.

     У сушарці  основного варіанта (раніше розглянутого) створюються жорсткі умови сушіння, тому що всі тепло, необхідне для  випару вологи з матеріалу, підводиться  однократно (у зовнішньому калорифері) і повітря нагрівається відразу  до відносно високої температури t, що є звичайно гранично припустимої для матеріалу, що висушується. При перевищенні цієї температури можливе розкладання матеріалу чи погіршення його якості. При нагріванні в калорифері вологовміст повітря залишається незмінним і різко падає його відносна вологість. Тому сушіння за основною схемою відбувається при значному перепаді температур, в атмосфері повітря з малим вологовмістом х и низьким значенням відносної вологості φ.

     У ряді випадків матеріали вимагають сушіння  в більш м'яких умовах: у вологому повітрі і при більш низьких температурах. Для цієї мети в сушильній техніці широко застосовують різні варіанти процесу сушіння.

Сушіння з частковим підігрівом повітря в сушильній  камері

 

     У цьому  процесі в зовнішньому калорифері К₁ повітря отримує лише частину тепла, а інша частина передається за допомогою додаткового калорифера К₂, встановленого в сушильній камері.

     Для простоти на діаграмі I-х зображений процес у теоретичній сушарці, що працює по цьому варіанту. З діаграми видно, що повітря нагрівається в зовнішньому калорифері до температури t'₁, що допускається властивостями матеріалу (вертикаль АВ'), випар вологи з матеріалу зображується лінією В'С. Весь процес у сушарці зображується на діаграмі ламаної АВ'С (рисунок 5).

     

Рисунок 3. Зображення теоретичного процесу сушіння з частковим підігрівом повітря в сушильній камері на I-x діаграмі

     Загальна  кількість тепла на нагрівання повітря  складається в даному випадку  з тепла, яке підводиться  в  основному (зовнішньому) калорифері q_к, і тепла, що підводиться в додатковому калорифері q_д:

    (2)

чи

де М - відношення масштабів  діаграми.

     Перевагою описаного варіанта сушіння є  те, що в камеру сушарки підводиться  повітря, нагріте до більш низької температури, чим за основною схемою сушіння. Це дозволяє проводити процес при перепаді температур t'₁-t₂ менше, ніж у сушарці основної схеми, де зазначений перепад був би дорівнює (t₁-t₂) і треба було б нагріти повітря в зовнішньому калорифері до температури t₁ (точка В), що перевищує припустиму для даного матеріалу ( t'₁).

Сушіння з проміжним підігрівом повітря по зонах

 

     Сушіння, що працює за цією схемою (рисунок 7.), складається  з ряду зон, у кожній з яких установлений додатковий калорифер (на мал. для простоти показані 2 зони).

     Такий багаторазовий, чи східчастий, підігрів повітря в сушильній камері дозволяє вести сушіння в м'яких умовах - при невеликому перепаді температур у камері, що і забезпечує більш  гнучкі умови сушіння.

     Повітря, нагріте у зовнішньому калорифері, проходить зону 1, де витягує з матеріалу частину вологи і трохи охолоджується, після чого надходить у зону 2, на вході в яку нагрівається в калорифері К₁, сушить матеріал, після чого знову підігрівається в калорифері К₂, потім надходить у наступну зону і т.д.

     Таким чином, повітря проходить послідовно всі зони, у кожній з яких здійснюється процес сушіння за основною схемою.

     Тому  зміна стану повітря носить східчастий характер і зображується на діаграмі I-х ламаною лінією АВ'С'В''С''В'''С (для теоретичної сушарки).

     Відповідно  до схеми (Рис.16), відпрацьоване повітря  кожної попередньої ступіні є  вихідним для наступної і нагрівається в ній при x=const Отже

            (3)

          (4)

          (5)

нижні індекси відносяться  відповідно до вихідного, нагрітого  і відпрацьованого повітря, а  верхні індекси вказують порядковий номер зони.

     Разом з тим витрата абсолютно сухого повітря однакова для всіх зон  і дорівнює його витраті для всієї сушарки:

      (6)

     

Рисунок 4. Крива швидкості  сушіння 
 

     

Рисунок 5. Принципова схема сушарки з проміжним  підігрівом повітря по зонах 

     

Рисунок 6. Зображення теоретичного процесу в сушарці  з проміжним підігрівом повітря  по зонах

      Дійсну  сушарку, що працює по цьому  варіанті, розраховують послідовно  від зони до зони, роблячи побудову  процесу для кожної зони так  само, як для сушарки основної схеми.

Сушіння з частковою рециркуляцією  відпрацьованого  повітря

 

     При сушінні за цією схемою частина відпрацьованого  повітря повертається і змішується перед зовнішнім калорифером  зі свіжим повітрям, що надходить у  сушарку. У деяких схемах змішання відпрацьованого повітря зі свіжим може відбуватися після зовнішнього калорифера.