Расчет барабанной сушилки

     Сушкой называют термический процесс удаления влаги из твердых материалов путем ее испарения. Процесс сушки изделий и материалов сопровождается изменением объема, которое называют усадкой. За счет удаления влаги частицы материала сближаются и размеры материала или изделия уменьшаются. При изменении объема (усадке) материал деформируется, возможны коробление и растрескивание изделий. 

  ВЛАЖНОЕ СОСТОЯНИЕ  МАТЕРИАЛА В ПРОЦЕССЕ  СУШКИ

     В процессе сушки из материала или изделий удаляют влагу, физико-механически и физико-химически связанную с ним. Следовательно, при сушке нарушаются только связи смачивания, капиллярные, структурные, осмотические и адсорбционные.

     Любой влажный материал в процессе сушки рассматривают как систему, состоящую из сухого материала и воды. Под сухим материалом (только для процессов сушки) понимают абсолютно сухой материал вместе с химически связанной влагой. Таким образом, массу влажного материала представляют в виде

                            G_ВM = G_CM + W,                                         (1)

где G_ВM — масса влажного материала; G_CM — масса сухого материала; W—масса физико-химически и физико-механнчески связанной влаги.

     Материал представляет собой многокомпонентную систему, состоящую из твердого скелета, влаги, воздуха и паров воды. Различают три состояния материала по отношению к окружающей среде: влажное, равновесное и гигроскопическое. Под влажным понимают такое, при котором парциальное давление водяных паров на поверхности материала выше, чем парциальное давление водяных паров в окружающей среде. При этих условиях материал отдает влагу. Воздух, окружающий материал, ассимилирует влагу материала и постепенно насыщается ею. Равновесное состояние наблюдается при равенстве парциальных давлений водяных паров на поверхности материала и в окружающей среде. В этом случае сушки материала не происходит.

     Гигроскопическое состояние материала, при котором парциальное давление водяных паров на поверхности материала меньше, чем парциальное давление водяных паров в окружающей среде, нехарактерно и может быть получено только искусственно.  

КИНЕТИКА  ПРОЦЕССОВ СУШКИ  ВЛАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ

      Подвергнутый  сушке материал под воздействием сушильного агента отдает влагу с открытых поверхностей. Изменение влагосодержания материала во времени выражают графически. Этот график называют кривой сушки. На рис. 1.3. показана характерная для капиллярно-пористого коллоидного материала кривая сушки / и кривая, характеризующая температуру материала 2 в процессе сушки. Пунктиром на рисунке обозначены: поддерживаемая постоянной температура сушильного агента по сухому tc и мокрому /м- термометрам. Также пунктирно дана и Up — линия равновесной влажности материала по отношению к сушильному агенту. 

Лист

Лист

     Рис.1.3.   Изменение среднего  влагосодержания   (кривая  сушки)   и   температуры   тела  во  времени,   в   процессе  сушки   при   постоянной   температуре .

U₀ и U_K — среднее начальное и конечное влагосодержание тела; U_p—равновесное влагосодержание тела; t_с и t_м —температура сушильного агента по сухому и мокрому термометру; t_п — температура поверхности тела; t_ц — температура центра тела; кривая 1 — линия изменения среднего влагосодержания тела в процессе сушки; кривая 2 — то же для температур тела; τ₁,τ₂,τ₃— продолжительность периодов сушки; τ _к — возможное время окончания сушки; U_B, t_пв, t_цв —соответственно среднее влагосодержание, температура   поверхности   и  температура   центра  тела   к   моменту   времени τ.

     Материал со средним влагосодержаиием Uo и темпе- ратурой t₀ помещается в установку, через которую проходит сушильный агент t_с>t_о И парциальным давлением водяных паров Р'_са, которое меньше, чем парциальное давление водяных паров на поверхности материала Р'_пм. Материал начинает отдавать влагу (см. кривую 1), сушильный агент ассимилирует ее, насыщается и удаляется из установки. Взамен отработанного поступают все время новые порции сушильного агента. Количество влаги, удаляемое в единицу времени из материала, начинает возрастать, и в точке а на кривой 1 достигает максимума. Одновременно температура материала повышается от t₀ до t_м в точке а' и поверхность материала достигает точки росы— температуры сушильного агента по мокрому термометру.

     Период возрастающей влагоотдачи с одновременным нагревом поверхности материала до точки а' называют первым периодом сушки. Он очень кратковременный, его продолжительность показана линией, отсекающей на оси времени отрезок, обозначенный τ₁ .От точки а влагосодержание начинает уменьшаться с одинаковой скоростью до точки б, при этом температура поверхности материала не меняется, что объясняется испарением влаги с поверхности, а такой процесс идет с расходом теплоты на парообразование. В этот период температура в центре материала постепенно повышается до температуры поверхности. Этот период, который показан на кривой 1 от точки а до точки б, называют периодом постоянной скорости сушки. 

Лист

Лист

Продолжительность периода обозначена на оси времени  отрезком τ₂ -τ₁.От точки б на кривой 1 до среднего конечного влагосодержания U_к, которое характерно для выгружаемого из установки материала, процесс удаления влаги замедляется, и кривая 1 асимптотически приближается к U_р— равновесному влагосодержанию. Это так

называемый период падающей скорости сушки — третий по порядку.Третий период сушки самый продолжительный. И чем ближе влагосодержание U _к равновесному, тем продолжительнее он становится. Начало периода падающей скорости сушки (точка б на кривой 1) на кривой температуры материала 2 характеризуется точкой б. В этой точке начинает резко возрастать температура поверхности материала t_п, которая в третьем периоде асимптотически приближается к температуре сушильного агента по сухому термометру. Одновременно за счет теплопроводности начинает прогреваться и центр материала, его температура также возрастает. Продолжительность периода обозначена отрезком [τ₃— (τ₂+τ₁)].

     Физический смысл повышения температуры поверхности материала, начиная с точки б', заключается в следующем. К этому времени общее влагосодержание материала уменьшается, влага к поверхности для испарения подается медленно, поверхность испарения «передвигается» внутрь материала. Пар образуется уже не на поверхности, а на каком-то расстоянии от нее, в глубине материала и, диффундируя через слой в окружающую среду, покидает материал и ассимилируется сушильным агентом. Поэтому из-за отсутствия испарения на поверхности ее температура начинает резко возрастать. Повышение температуры поверхности t_п влечет за собой прогрев центральных слоев материала и температура в центре t_ц также возрастает. Обычно процесс не ведут до U_K и материал выгружают раньше, чем закончится третий период τ₃. Например, проведем через рис. линию KN, перпендикулярную оси τ, и будем считать всю продолжительность сушки равной τ_k. Тогда выгружаемый из установки материал будет иметь среднее влагосодержание U_B, температуру на поверхности t_ПВ и температуру в центре t_цB. Следовательно, зная необходимое конечное среднее влагосодержание материала по снятому с натуры графику изменения влагосодержания и температур можно судить о продолжительности и характере реального процесса сушки.

     Материалам с различным характером связи влаги соответствуют и свои кривые сушки, однако общий характер кривой и ее деление на три периода характерно для всех коллоидно-капиллярнопористых материалов, к каким относятся строительные изделия. Кроме кривой сушки иногда строят и кривую скорости сушки во времени du/dr = f (τ). Ее получают путем графического дифференцирования кривой сушки. Кривую скорости сушки можно определить и другим способом. Для этого кривую сушки делят на равные участки ∆τ и находят убыль влаги ∆u на каждом из этих участков по отношению к выбранной продолжительности сушки на участках ∆τ. 
 

Лист

Лист

как угодно быстро. При этом из-за отсутствия усадки материал не должен был растрескиваться. Однако, как показала действительность, в некоторых случаях он все-таки растрескивался.

       С развитием теории сушки было  установлено, что критическое влагосодержание непостоянно даже для одного и того же материала, оно зависит от режимов сушки. Если считать исходным определенное критическое влагосодержание U_kp, полученное из опыта, то оказывается, что при более быстрой сушке критическое влагосодержание будет иным-  U_кр (для данного опыта), станет выше, т. е. U’_kP > U_кр. И наоборот, при более медленной сушке критическое влагосодержание для этого же материала U’’_kp станет меньше U_кр, т. е. U’’_kp < U_кр. Эту зависимость необходимо помнить и пользоваться ею, определяя режимы сушки изделий. 

УСАДОЧНЫЕ ЯВЛЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ В ПРОЦЕССЕ СУШКИ

     В процессе сушки керамических и ряда теплоизоляционных материалов не только уменьшается влагосодержание материала, по и происходят процессы структурооб-разования. В первую очередь они вызываются сокращением размеров материала. При удалении влаги частицы материала сближаются и общие размеры материала сокращаются. 

  ТЕПЛО- И МАССООБМЕН  В ПРОЦЕССЕ СУШКИ

     Сушка материалов возможна при любой, даже отрицательной температуре. Для этого необходимо и достаточно, чтобы парциальное давление водяных паров на поверхности материала было больше, чем в окружающей среде. На этом положении основывалась применявшаяся ранее естественная сушка материалов. Однако скорость такой сушки невелика и не соответствует современному уровню развития промышленности.Для ускорения сроков сушки и сокращения количества воздуха, необходимого для ассимиляции влаги, стали применять нагретый воздух или продукты горения топлива, которые называют сушильным агентом. Сушильный агент должен характеризоваться следующими параметрами: температура сушильного агента должна быть выше температуры материала, а парциальное давление водяных паров в нем должно быть меньше, чем на поверхности материала. Поэтому если на материал будет воздействовать сушильный агент, то он будет отдавать теплоту материалу, а с поверхности материала ассимилировать влагу. Эти явления, как уже говорилось, называют внешним тепло-и массообменом.Процессы передачи теплоты, влаги и воздуха внутри материала называют внутренним тепло-и массообменом.

Лист

Лист

РЕЖИМЫ  СУШКИ СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ И МАТЕРИАЛОВ

     Изделия, как установлено ранее, во время сушки могут подвергаться короблению и растрескиванию из-за возникновения напряженного состояния. Поэтому основная проблема в организации сушильного процесса для всех изделий, за исключением естественных заполнителей бетона,— определение допустимой скорости сушки, при которой коробление и возникновение трещин не наблюдаются. Оценку напряженного состояния ведут по критерию трещинообразования. Для сформованных материалов с некоторым приближением (без учета напряженного состояния от разности давлений) в качестве критерия трещинообразования по рекомендации А. В. Лыкова принимают относительный перепад между средним U и локальным U влагосодержаииями по отношению к среднему   начальному    влагосодержанию   £/0,

     Ки = Ц                             

     Если считать, что трещинообразование идет с поверхности, то U=Un. При параболическом распределении влагосодержания перепад (U—С/п) равен 2/зДГ/, где AU — перепад влагосодержаний между центральными Г/ц и поверхностными   Un слоями    (Д/У=£/ц—Г/п).  (2.1)

В этом случае поверхностный  критерий трещинообразования Кп будет

                Ka = U — UaIU0 = 2/3 (Цц - UJU0).  (2.2)               

     Для периода постоянной скорости сушки, при равенстве температур в центре и на поверхности, но данным А. В. Лыкова, справедливо следующее соотношение:

                (t/u — Un)IU0= l/2Kim (2.3)                             

где Kim — массообменный критерии Кирпичева.

     Тогда  из (2.2) и (2.3) можно получить

                 4 Д'п= 1 3Kim.                                       (2.4)

     Отсюда для расчета допустимых скоростей сушки с учетом того, что полная усадка материала идет в период постоянной скорости, принимают другую величину — массообменный критерий Кирпичева Kim, который в три раза больше Кп'.

                 Kim = gm R!am poZ/o = 2 [((/ц - Un)lUQ),               (2.5)

где qm— плотность потока влаги; R — характерный линейный размер тела (для пластины — 7г се толщины); ат — коэффициент по-тенциалопроводности; р0 — плотность сухого материала; £/0 — среднее начальное влагосодержание.

     Отсюда плотность потока влаги qm может быть выражена так:

qm шл (Rim яяфо Uo)IR.                               (2.6)

     С другой стороны плотность потока влаги может быть определена как количество испарившейся влаги (U0~Ul{) с удельной    поверхности    poVm/F за единицу

времени qm=Pom тогда допустимый срок сушки может быть определен

где UH—среднее конечное влагосодержание; Vm — объем материала; F — площадь поверхности изделия, с которой происходит испарение. 

Лист

Лист

     Для определения продолжительности бездефектной сушки экспериментально находят допустимый перепад влаго:одержаний (Un—Un) и по нему определяют мас- сообменный критерий Кирпичева Kim. Далее по найденному Kim вычисляют допустимую плотность потока влаги qm по экспериментально найденному коэффициенту потенциалопроводности dm. После определения qm путем подбора /, d и w и, находя для них допустимый критерий Kim, подбирают режим сушки.       Детальная методика подбора изложена в специальной справочной литературе.

Приведенная экспериментально-теоретическая методика расчета является недостаточно точной, так как не учитывает напряженного состояния от возникающего перепада давлений. Поэтому ее используют пока только в качестве ориентировочной. С нее начинают подбор экспериментальных режимов в лабораториях. Вообще же на режимы сушки влияют многие факторы. На некоторые из них было указано при рассмотрении тепло- и массообмена, другие — технологические, которые не рассмотрены, — заключаются в изменении свойств самого материала, подвергаемого сушке. Например, введение поверхностно-активных добавок с последующим вовлечением воздуха делает материал значительно менее чувствительным к сушке и позволяет резко сокращать ее сроки. К таким же результатам приводит добавка отощителей в глиняные изделия типа керамических камней и кирпича. Поэтому при назначении режимов сушки необходимо учитывать все возможности снижения сроков обработки как путем улучшения условий тепло- и массообмена, так и в результате улучшения технологическими приемами свойств самого материала. 

СУШИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

     Сушильные установки предназначены для сушки строительных материалов, изделий и деталей. Одно из основных требований, предъявляемых к сушильным установкам, — обеспечение непрерывной, экономичной, быстрой и равномерной сушки при условии полной механизации и автоматизации.Сушильные установки делят на периодически действующие и непрерывного действия. В настоящее время строят сушилки в большинстве случаев непрерывного действия; в них организуется близкий к стационарному тепловой режим.

     Материал транспортируется по сушильной установке, отдает влагу и, высушенный до необходимого влагосодержания, выгружается.

В качестве транспортирующих устройств в сушильных установках могут применяться различные типы вагонеток и конвейеров. Кроме того, сами сушилки могут одновременно служить транспортными устройствами (барабанная сушильная установка и др.). Работа сушильной установки оценивается удельными расходами теплоты и электроэнергии на удаление 1 кг влаги. В экономичных установках расход теплоты составляет 3500—5000 кДж/кг испаренной влаги. Электроэнергия расходуется на транспортирование сушильного агента. 

Лист

Лист

  КЛАССИФИКАЦИЯ СУШИЛЬНЫХ  УСТАНОВОК

     Классификации сушильных установок по единому принципу пока не существует. Поэтому для классификации используют ряд признаков работы сушил.

     Так, по режиму работы сушилки делят на периодические и непрерывного действия. Периодические работают по циклам. Сначала установку загружают материалом, далее проводят процесс сушки, после чего высушенную продукцию выгружают из установки. Тепловой режим в таких установках нестационарный. Сушильные установки непрерывного действия работают в близком к стационарному режиме. Загрузка и выгрузка изделий происходит непрерывно или с небольшими одинаковыми интервалами (импульсно).

      По способу передачи теплоты сушилки делят на конвективные, контактные (кондуктивные), радиационные и смешанные. В последних применяется любое сочетание из указанных трех способов передачи теплоты. В последнее время начинают появляться другие установки: сушилки с использованием тока высокой частоты, сушилки с периодическим сбросом давления и др. Однако в промышленности они еще не получили распространения.

     По схеме движения сушильного агента различают противоточные, прямоточные, смешанные, с рециркуляцией, с реверсивной циркуляцией и другие сушильные установки.

     По конструкции сушила подразделяют на распыли- тельные для суспензий, газослоевые для кусковых и сыпучих материалов с сушкой в фильтрующем, кипящем и виброкипящем слоях, во взвешенном и транспортируемом в сушильном агенте состоянии, барабанные, шне-ковые для кусковых и сыпучих материалов, туннельные и конвейерные для сушки штучных и листовых материалов и др. 

  СУШИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ КУСКОВЫХ И СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ

     Для сушки кусковых и сыпучих материалов применяют разнообразные сушильные установки. Следовательно, для кусковых и сыпучих материалов необходимо применить такой способ сушки, чтобы каждая частица или кусок материала омывались со всех сторон сушильным агентом. В этом случае при прочих равных условиях эффективность сушки будет максимальной.

      Барабанные сушильные установки. Барабанные конвективные сушилки наиболее широко применяются в промышленности строительных изделий. Они просты в обращении, экономичны и надежны в эксплуатации. Барабанная сушильная установка (рис.) состоит из вращающегося стального барабана 9, установленного под углом 4—6° к горизонту. Барабан снабжен венцовой шестерней 10, через которую осуществляется его вращение, и двумя опорными бандажами 8. Бандажи при вращении барабана катятся по неподвижным роликовым опорам 16 и исключают возможность передвижения барабана в продольном направлении. 
 

Лист

Лист

     Сушильные барабаны в нашей стране выпускают диаметром 1—3,5 м. Барабаны диаметром 1—2,8 м могут быть различной длины при (L/D = 4—8). Барабаны больших диаметров выпускают только на стандартную длину L: соответственно для D = 2,8  L = 14 м; для D =3,5 L = 20 м и 27 м.

Металлический корпус барабана для повышения экономичности  сушки снабжают внутренними насадками. На рис. показаны типы применяемых

насадок. 
 
 

Лист

Лист

Лист

Лист

     Насадка, показанная на рис.б, — промежуточного типа, и ее целесообразно использовать при сушке материала типа песка, более крупного по сравнению с глиной. Здесь материал уже движется по своему сектору, занимающему по площади 1/4 барабана. В секторе материал задерживается на лопатках, поднимается при повороте барабана, падает вниз сектора. Такое движение позволяет сушильному агенту омывать всю поверхность частиц материала.

     Насадка, изображенная на рис. в, рассчитана для кускового материала. Лопатки насадок поднимают материал при вращении и постепенно сбрасывают его вши. При сушке материалов в барабане основное количество теплоты от сушильного агента материалу передается конвекцией во время пересыпания. При увеличении степени загрузки барабана материалом возможность пересыпания его сокращается. Вместе с этим уменьшается поверхность материала, омываемого сушильным агентом, и уменьшается  интенсивность сушки. Поэтому оптимальным условием загрузки, по экспериментальным данным, считают заполнение    объема    барабана материалом не более чем на 15—20%.  Кроме того, материал получает теплоту от нагретых устройств барабана за счет теплопроводности. Конструкции барабана и поверхность материала получают теплоту за счет излучения.

     Барабанные сушильные установки, как указывалось, могут работать по прямотоку и противотоку. Выбор того или иного принципа для сушки строительных материалов имеет большое значение. Для примера сравним условия теплообмена между сушильным агентом и материалом для сушильных установок (рис.), одна из которых (рис.а) работает по прямотоку, другая (рис.б)—по противотоку. Пусть в обе сушильные установки подаются рушильный агент с одинаковой начальной температурой t_c.а и один и тот же материал также с одинаковой температурой t_M.Отложим на схеме а в координатах t, °С, и l (длина установки) t_c.a и t_M. Проходя через барабанную сушилку в одном направлении с материалом, сушильный агент ассимилирует влагу, отдает теплоту материалу, нагревает его до t'_u и с температурой t'_с.а. удаляется из установки. Данная установка работает по прямотоку.

На схеме  б в аналогичных координатах t, °С, и l отложим те же величины t_с.а и t_м . Проходя через аналогичную сушильную установку, только навстречу материалу, сушильный агент также ассимилирует влагу и отдает теплоту материалу, нагревает его, но уже до температуры t’’_м, а сам с температурой t’’_с.а. удаляется из установки.      Установка работает по противотоку. Сравнивая работу установок, отметим, что температура выходящего  (отработанного)  сушильного агента t’’_с.а (противоток)  ниже, чем температура отработанного сушильного агента t'_M (прямоток). Следовательно, использование тепловой энергии при противотоке более полное.

Лист

Лист

     Барабанные сушильные установки при проектировании подбирают из расчета удельного объемного напряжения по влаге. Выбираемое удельное объемное напряжение зависит от способности материала к пылеобразованию. Чем больше его способность к пылеобразованию, тем меньше удельное объемное напряжение можно допускать при сушке. Указанное объясняется увеличением объемного напряжения по влаге и расхода сушильного агента при большей скорости его движения по барабану, что требует создания большего отрицательного давления (разрежения) в установке.

Например, высушенная глина выносится из сушилки с  отработанным сушильным агентом  при большой его скорости. Наоборот, при сушке щебня можно создавать большую скорость сушильного агента и щебень уноситься не будет. Следовательно, для глины необходимо незначительное объемное напряжение по влаге. По практическим данным, оно не должно превышать 50 кг/(м³×ч). Для сушки щебня, наоборот, объемное напряжение по влаге может достигать 120 кг/(м³×ч) и более.

Ориентировочный расход теплоты в барабанных сушилах  составляет 4200 — 5800 кДж/кг испаренной влаги. Для приближенных расчетов среднее время пребывания материала в барабане можно определить по формуле:

                                  τ=L_б×60/ 2D_б n(β-αω)

     где  L_б—длина барабана, м; D_б— диаметр барабана, м; n — скорость вращения барабана, мин^-1; β — угол наклона барабана, рад; ω — скорость газа, м/с; α — поправочный коэффициент, равный 0,007. 
 
 
 
 
 
 

Лист

Лист

Барабанная  сушилка, обогреваемая воздухом.  

          Схема данной сушилки представлена  на рис.   , где 1 – барабан; 2 – приемный бункер; 3 – циклон; 4 – бункер; 5 – калорифер; 6 – вентилятор.

          Данные для расчета:

производительность  по исходному материалу Gн=5000, кг/ч;

влажность материала (на общую массу), %;

начальная uн=10;

конечная uк=1;

температура материала, ºс:

начальная t´н=15;

конечная t˝м=60;

температура воздуха, ºс:

на входе в  калорифер при φ = 50%  tо=19;

выходе из калорифера (входе в барабан)t1=125;

выходе из барабана t2=59;

насыпная плотность  материала  =1300, кг/м³;

давление греющего пара =9, атм;

напряжение барабана по влаге А=40, кг/м³·ч;

коэффициент заполнения барабана В=0,20;

насадка барабана подъемно-лопастная. 

Лист

Лист

производительность  барабана по влаге;

размеры сушильного барабана;

число оборотов барабана;

потери тепла  в окружающую среду;

расходы воздуха  Lв, тепла Q и пара Gп;

калорифер, предварительно его выбрав;

пылеосадительные  устройства.

          Количество влаги, испаряемой  за час, кг;

          .                                                    (25)

          Количество материала, высушенного  за час, кг;

          Gк = Gн –W=5000-450=4550 .

          Размеры сушильного барабана:

объем барабана, м³,

          .                                                                (26)

          Отношение длины барабана к  диаметру должно быть L/d = 3,5-7. Обычно принимают отношение L/d = 5;

          диаметр барабана находят из  соотношения, м,

          Uб = 0,785d²L = 0,785d²·5d = 3,925d³

                                                                   (27)  

          Длина барабана, м,

          L = 5d=5×1,42=7,1,                                                                   (28)

         Окончательные размеры барабана  выбирают по ГОСТ 11 75-79 ,

Принимая размеры, равные полученным или близкие к  ним с большей стороны.

          Число оборотов барабана в  секунду

           ,                                                              (29)

где a – коэффициент для подъемно-лопастной насадки, а = 1,2  ; τ – время пребывания материала в барабане, с,

           ,                                                        (30)

В = 0,15; Gср – средняя масса материала, проходящего через барабан, кг/ч; tgα – тангенс угла наклона барабана. Барабаны имеют угол наклона к горизонту 0,5-6º [8]. Для расчета принимают α= 2º).

Потери тепла  в окружающую среду, Вт,

          Qп = Fбок α(tст – tо)=31,66×12,07×(35-19)=6114,17,                                                  (31)

          Fбок = πdL=3,14×1,42×1,7=31,66,

Лист

Лист

          α = αк + αп=0,44+11,63=12,07,                                                                                                             (32)

 где αк – коэффициент теплоотдачи за счет вынужденной конвекции окружающей среды относительно наружной поверхности вращающегося барабана, Вт/(м²·К); αп – коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м²·К); tст - температура стенки барабана с внешней стороны, ºс; tо – температура окружающей среды, ºс.

           Принимают tст = 35ºс и определяют режим движения окружающего воздуха относительно наружной поверхности барабана:

                ,                                                       (33)

где Wв – относительная скорость движения воздуха, м/с,Wв = πdнар·n; dнар – наружный диаметр барабана с учетом толщины изоляции, м, dнар = d +2δ2; l – длина окружности барабана, м, l = πdнар; δ = 8÷12 мм; μ – коэффициент динамической вязкости воздуха при tо ºс.

             Принимаем предварительно толщину  теплоизоляции  , равной 0,06м;

(ρв – плотность воздуха при tоºс, кг/м³); T= To + to, (T – абсолютная температура воздуха); ( ρо – плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м³, Мв – мольная масса воздуха).

               Коэффициент теплоотдачи от стенки  барабана в окружающую среду  за счет вынужденной конвекции,  Вт/(м²·К) [10,11],

              ,       (34)

где ; εi – выбирают по табл.    при найденном Re и L/d = 5; λв – теплопроводность воздуха при tо, Вт/(м²·К).

 коэффициент  теплоотдачи излучением, Вт/(м²·К),

                                                                   ,                                        (35)

где Со – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, Со = 5,7 Вт/(м²·К ); ε – степень черноты для поверхности, покрытой масляной краской, ε = 0,95.

                     Уточняют необходимую толщину слоя изоляции. В качестве изоляционного материала принимаем минеральную вату с λ2 = 0,076 Вт/(м²·К). над изоляцией толщиной δ2 имеется кожух из листового железа толщиной δ3 = 1 мм, покрытый масляной краской. Толщина стенки барабана δ1 = 12 мм.

             Можно принять t1 = t2 = 60ºc и t3 = t4 = 35ºc.

              Здесь t1 и t2 – температура внутренней и наружной стенок барабана; t3 и t4 – температура стенок защитного кожуха.

             Расчет ведут по формулам теплопроводности через цилиндрическую стенку.

             Удельный тепловой поток, Вт/м²,  qe = πdнар· qнар = πdнар· α (t4 -tо).

Лист

Лист

Определяют толщину δ2, м.

           Уточняют наружный диаметр барабана, м: dнар = d + δ1 + 2δ2 + 2δ3.

            Площадь наружной поверхности  барабана, м²,

            F = πdнар L=3,14×1,436×7,1=32,01.

           Тепловые потери в окружающую  среду, Вт,

           Qn = αFδ(t4 – to)=12,07×32,01×(35-19)=6181,76.                                 (36)                        

           Удельная потеря тепла, Дж/кг влаги,

           .

           Расход воздуха Lв, тепла Qk и пара Gn . Для определения расхода воздуха и тепла на сушку строят диаграмму сушильного процесса J-x  (рис. 2   ).

            Точку А находят по исходным  параметрам воздуха to, φ (влагосодержанию), точку В – по заданной температуре t1 и xо; из диаграммы определяют J1. Точку С (окончание идеального сушильного процесса) находят по заданной температуре t2 и J2=J1.

              в

      е

     f                             

                 Е                   с

         А

            Х

Рис2. Схема определения  расхода и тепла 

                     в калорифере

Чтобы найти  направление реального процесса сушки из произвольной точки e, лежащей на линии теоретического процесса (точка e должна лежать ближе к точке С, чтобы отрезки, которые участвуют в графическом расчете сушилки, были по возможности большими) опускают перпендикуляр ef на линию АВ, измеряют его и определяют отрезок eE по формуле

                                                 eE = ef ·Δ;

где Δ = Свt΄м + qg - Σq, кДж/кг влаги (Св – теплоемкость воды, кДж/(кг·К); qg – дополнительный подвод тепла (в барабанной сушилке qg = 0), кДж/кг влаги; Σq – сума потерь тепла (с высушенным материалом, в окружающую среду с транспортирующими приспособлениями), кДж/кг влаги.

Лист

Лист

    Потери  тепла с высушенным материалом, кДж/(кг·К),

    ,                                                     (37)

где См″ - теплоемкость материала на выходе из сушилки, кДж/(кг·К).

                                                       ,

С – теплоемкость абсолютно сухого материала (см. табл.    ).

    Определяют  отрезок еЕ:                                                   

 eE = ef·Δ = (x1 - xo)[Cвtм΄ - (qм+qп)]=(0,031-0,0076)×[4.19×15-(414.45+49.45)]=-2.241.

Здесь ef берется для произвольно выбранной точки l на линии J1 = const , ef  = x1 –xo; Св – теплоемкость влаги (воды) при tм΄. Если Δ>0, отрезок еЕ откладывают от точки е вертикально вверх. В данном случае Δ<0, поэтому отрезок еЕ откладывают вниз.

Точку В соединяют  с точкой Е и продолжают линию  до перемещения с заданной изотермой  t2. полученная точка С1 характеризует состояние воздуха после сушки. Находим J2 – теплосодержание, кДж/кг сухого воздуха, x2 – влагосодержание, кг влаги/кг сухого воздуха.

       Расход сухого воздуха, кг/ч,

      .                                                            (38)

объем сухого влажного воздуха, проходящего через сушилку за 1 ч, м³,

                                                       Vвп = LвVуд,

V_еп(t0)=22054.5×0.039=860.12;

V_еп(t1)=22054.5×0.015=330.81;

V_еп(t2)=22054.5×0.044=970.39;                                                                 (39)

где Vуд – удельный объем влажного воздуха на 1 кг сухого воздуха,

                                                          ;                  (40)

V_уд(t0)= ;

V_уд(t1)= ;

V_уд(t2)= ;

 здесь R – газовая постоянная для воздуха, Дж/(кг·К), R =287; T – абсолютная температура воздуха, К; Pоб - общее давление паровоздушной смеси, Па; Pп – парциальное давление  водяного пара, Па. Принимают Pоб = 745 мм рт. ст.

       По Jx – диаграмме находят Рп при известных значениях to и xo на входе в калорифер, t1 и xo – на выходе из калорифера, t2 b x2 – на выходе из барабана.

       Рассчитывают объем влажного  воздуха на входе в калорифер,  выходе из калорифера и выходе  из барабана.

Расход тепла  в калорифере , Вт,

Лист

Лист

        ,                                                                   (42)

где r – теплота парообразования при Р = 3 атм, r = 2171 кДж/кг. 

2. Аппараты общего назначения

1. Расчет  и выбор циклона

     Размеры циклона (рис.2) определяются  заданной степенью дисперсности и скоростями газа в самом циклоне (12-14 м/с), во входном патрубке (15-20 м/с) и в выхлопной трубе (3-8 м/с) [12].

     Площадь сечения входного патрубка  можно предварительно определить  по формуле, м²,

 (2.1)         

где h, b - соответственно высота и ширина патрубка, м: U_c - поступление газа в циклон, м³/с, W_вх- скорость потока во входном патрубке, м/с

     Для циклонов рекомендуется h = 4в, тогда в = 0,5 .

     Ориентировочный диаметр циклона,  м (циклон типа ВТИ) D =5,9b,

     Рис. 2. Схема циклона и расчетные  размеры.

V_c=L×22.4/28.8×3600=(1424.4×22.4)/(28.8×3600)=0.3 м/с;

f=0.3/17=0.018 м²_;

_{В=0,5× м;}

_{h=4×0.06=0.24;}

=2,95× м;    (2.2)        

     Внутренний диаметр выхлопной  трубы, м;

=1,13× ; (3.3)        

Лист

Лист

     Наружный диаметр трубы, м,

d_н.тр=d_вн.тр+2δ=0,36+2×0,003=0,366;

δ=2мм

     Правильность выбора диаметра  циклона, м; проверяют по формуле

=0,366/1-(10×0,014/13)=0,37 (2.4)       

где W_oc - скорость осаждения частиц, м/с, ρ_т=1450-1500 кг/м³

=((2×10^-6)²×(1450-0,89)×13²)/(9×0,025×10^-3×0,89×0,36)=14×10^-3=0,014;  (2.5)     

d=2∙10^-6;

ρ_т=1450;

ρ_г=(28,8×273)/(22,4×393)=0,89;

μ=0.022×10^-3 Па×с;

ν=μ/ρ=0,022×10^-3/0,89=0,025×10^-3 кг/м²;

где d² - диаметр частиц, м; ρ_т,ρ_r плотность соответственно твердой фазы и газа, кг/м³; W_ц - скорость газа в циклоне, м/с; ν- кинематическая вязкость газа, кг/м²; W_ц = 12-14.

     Проверяют правомерность применения  формулы для определения скорости осаждения по уравнению:

;

R_e⁼(0,014×2×10^-6)/(0,025×10^-3)=1,12×10^-3=0,00112‹0,2 (2.6) 

     Высота цилиндрической части  циклона, м,

=        (2.7)

     Высота конусной части циклона  h₂ = 0,86 D=0,86×0,37=0,32 м.

     Гидравлическое сопротивление циклона,  Па,

=(7×17²×0,89)/2=900,235;       (2.8)

где - коэффициент сопротивления циклона,

Лист

Лист

     Скорость осаждения частиц в циклоне можно увеличить повышением скорости газового потока или (что предпочтительнее) уменьшением диаметра циклона, которое может привести к применению батарейных циклонов. Справочные таблицы для выбора циклонов даны в литературе [11-14].

                             3.  Расчет и выбор вентилятора

     Мощность двигателя вентилятора,  кВт,

=(0,3×1686,175)/1000×0,72=0,7     (3.1)

где Uc - подача вентилятора, м³/с; - полное сопротивление, установки с учетом скоростного напора, Па;  ŋ- общий КПД вентиляторной установки,

ŋ = ŋ_в* ŋ_пр=0,9×0,8=0,72

     Полное сопротивление (сушильной)  установки

=289,49+196,2+100+900,235+200,25=1686,175;     (3.2)

где - сопротивление трения воздуховодов, Па;

           (3.3)

L=10÷20м;     (L  - длина воздуховода, определяемая по чертежу);

 D_вп= = ;

- местные сопротивления, Па.         (3,4)

- соответственно сопротивление  сушилки, калорифера,

циклона, Па; - скоростной напор, Па,

=15²×0,89/2=200,25      (3,5)

Скорость  газов в трубопроводах допускается  в пределах 10-20 м/с.

     Принимают W_вп=15 м/с.

Лист

Лист

     Сопротивление трения трубопровода  и местных сопротивлений находят с помощью объединенной формулы

=(15²×0,89/2)×((0,035×5,832/0,16)+0,1699)=289,49

Λ=0,035;∑ξ_i=(0,45×0,15)+(1,28×0,08)=0,1699,

и предварительно подсчитывают критерий  Re:

где =0,029×10^-3 - вязкость воздуха при t_ср=(t₀+t₁)/2=(17+600)/2=308.5, Па-с.

     По найденному значению Re  определяют коэффициент трения

[5, рис. 1.5].

     Для отводов под углом 90°  и задвижек (при условном проходе 300 мм и выше) по литературе [5, табл.ХШ] находят местное сопротивление ζ. Определяют

     Сопротивление барабанных сушилок  колеблется в пределах 10-20 мм   вод.ст [13] .              Принимают  = 20 мм вод.ст. = 20∙9,81 = 196,2 Па.

     Сопротивление калорифера (пластинчатого)  100 Па.

     По найденным значениям  ; определяют полное сопротивление сушильной       установки по формуле (3.7).

     Мощность, потребляемую двигателем, находят по формуле (3.1)

    В формуле (3.1) ŋ_в, ŋ_тр - соответственно КПД вентилятора и привода (ŋ_пр = 0,9-0,95); ŋ_в=0,8 принимают по характеристикам вентилятора [14, 15] ,

     Полная мощность установки

N_уст=КN_дв=1,3×0,7=0,91_,

где К - коэффициент запаса мощности, который  зависит от величины N_дв

;   К=1,3.

Лист

Лист

=1686,175×1,1/0,89=2084       (3.7)

где - плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м , = 1.1;

  - плотность газа при данных  условиях.

     Записывают окончательные данные  подобранного вентилятора. 
 
 
 
 

Лист

Лист

      1.Борщ  И.М.,Вознесенский В.А.,Мухин В.З.,Сачко В.П.,Сидоров Н.А. Процессы и аппараты в технологии строительных материалов.-Киев: Вища шк. Головное изд-во 1981.-282с. 

      2.Чернобыльский  И.И.,Танавайко Ю.М. Сушильные установки  химической промышленности.-Киев:Техника,1969. 

      3.Рахимбаев  Ш.М.,Кузнецов В.А. Сушильные установки в производстве строительных материалов.-М.:МИСИ и БТИСМ,1983.-82с. 

      4.Сапожников  М.Я. Механическое оборудование  предприятий строительных материалов,изделий  и конструкций.-М.:Высш.шк.,1971.-382с. 

      5.Лебедев  П.Д. Расчет и проектирование сушильных установок.-М.; Л.: Госэнергоиздат,1963.-320с.  
 
 
 
 
 
 
 
 

Лист

Лист

     Теоретические основы процессов сушки……………………………………….…3 

     Влажное состояние материала в процессе сушки…………………..………….....3 

      Кинетика процессов сушки влажных материалов…………………..………....3-6 

     Усадочные явления и деформации в процессе сушки…………………….……...6 

     Тепло-  и массообмен в процессе сушки……………...……………………….....6-7 

     Режимы сушки строительных изделий и материалов……………………….….7-8 

     Сушильные  установки…………………………………………………………….8-9 

     Классификация сушильных установок……………….……………………………9 

    Сушильные установки для кусковых и сыпучих материалов……..………….9-13     

      1. Барабанная сушилка на топочных газах………………………………..14-19

      2.Аппараты общего назначения…………………………………………….19-21

          3.  Расчет и выбор вентилятора…………………………………………..…21-23

     Литература…………………………………………………………………………..24

Лист

Лист