2. Определение параметров отработанных газов, расхода сушильного агента и расхода тепла на сушку

Из уравнения материального баланса сушилки определим расход влаги W, удаляемый из высушиваемого материала:

W=G_к(10)

W==кг/с

Запишем уравнение внутреннего теплового баланса сушилки:

∆=сӨ₁+q_доп - (q_т+q_м+q_п)(11)

где ∆ — разность между удельными приходом и расходом

тепла непосредственно в сушильной камере;

с — теплоемкость влаги во влажном материале при температуре Ө₁кДж/(кг∙К);

q_доп— удельный дополнительный подвод тепла в сушилку; кДж/кг влаги; при работе сушилки по нормальному сушильному варианту q_доп= 0;

q_т— удельный расход тепла в сушилке с транспортными средствами, кДж/кг влаги; в рассматриваемом случае q_т= 0;

q_м— удельный расход тепла в сушильном барабане с высушиваемым материалом, кДж/кг влаги; q_м=G_kc_м(Ө₂-Ө₁)/W;

с_м— теплоемкость высушенного материала, равна 0,8 кДж/(кг∙К);

Ө₂— температура высушенного материала на выходе из сушилки, °С. При испарении поверхностной влаги принимается приблизительно равной температуре мокрого термометраt_мпри соответствующих параметрах сушильного агента. Принимая в первом приближении процесс сушки адиабатическим, находи поi— х, диаграмме по начальным параметрам сушильного агента: Ө₂=°С;

q_п— удельные потери тепла в окружающую среду, кДж/кг; влаги.

Подставив соответствующие значения, получим:

∆ = 4,19∙--= -кДж/кг влаги

Запишем уравнение рабочей линии сушки:

∆ = (i — I₁)/(x —x₁), или I = I₁- ∆ (х — x₁) (12)

Для построения рабочей линии сушки на диаграмме I — х необходимо знать координаты (х и I) минимум двух точек. Координаты одной точки известны:

х₁ = , I₁ = .

Для нахождения координат второй точки зададимся произвольным значением x и определим соответствующее значениеI.

Пусть х = 0,1 кг влаги/кг сухого воздуха.

Тогда I==кДж/кг сухого воздуха.

Через две точки на диаграмме I -х (рис. 1) координатами х₁, I₁ и х, I проводим линию сушки на пересечения с заданным конечным параметром °С.

В точке пересечения линии сушки с изотермой t₂ находим параметры отработанного сушильного агента: х₂=кг/кг,I₂=кДж/кг.

Расход сухого газа L_с.гравен:

L_с.г =W/(x₂-x₁)(13)

L_с.г/(—) =кг/с

Расход сухого воздуха L:

L =W/(x₂-x₀)(14)

L=/(—) =кг/с

Расход тепла на сушку Q_с:

Q_с=L_с.г(I₁-I₀) (15)

Q_с=(-) =кДж/с иликВт

Расход топлива на сушку:

G_т=Q_с /Q=/=кг/с

Рисунок 1 – Изображение процесса сушки в диаграмме влажного воздуха

х1=	T1=	х2=
I1=	t2=	I2=

3. Определение основных размеров сушильного барабана

Основные размеры барабана выбирают по нормативам каталогам-справочникам в соответствии с объемом сушильного пространства. Объем сушильного пространства V складывается из объема необходимого для прогрева влажного материала до температуры, при которой начинается интенсивное испарение влаги (до температуры мокрого термометра сушильного агента), и объема V_с, требуемого проведения процесса испарения влаги, т.е. V = V_с + V_п. Объем сушильного пространства барабана может быть вычислен по модифицированному уравнению массопередачи:

V_с = W/(К_v∆x'_ср) (16)

где ∆x'_ср— средняя движущая сила массопередачи, кг влаги/м³; объемный коэффициент массопередачи, 1/с.

При сушке кристаллических материалов происходит удаление поверхностной влаги, т. е. процесс протекает в первом периоде сушки, когда скорость процесса определяется только внешним диффузионным сопротивлением. При параллельном движении материала и сушильного агента температура влажного материала равна температуре мокрого термометра. В этом случае коэффициент массопередачи численно равен коэффициенту массоотдачи К_υ = β_υ.

Для барабанной сушилки коэффициент массоотдачи β_υ вычисляем по эмпирическому уравнению:

β=1,6∙10^-2(17)

где ρ_ср — средняя плотность сушильного агента, кг/м³;

с— теплоемкость сушильного агента при средней температуре в барабане, равная 1 кДж/(кг-К);

Р— степень заполнения барабана высушиваемым материалом, %;

Р₀ — давление, при котором осуществляется сушка, Па;

р— среднее парциальноедавление водяных паров в сушильном барабане, Па.

Уравнение справедливо для значений: ωр_ср = 0,6 - 1,8 кг/(м²∙с),n = 1,5 - 5,0 об/мин, β = 10 - 25 %.

Рабочая скорость сушильного агента в барабане зависит от дисперсности и плотности высушиваемого материала. Для выбора рабочих скоростей (ω, м/с) при сушке монодисперсных материалов можно руководствоваться данными, приведенными в табл. 1.

Таблица 1.К выбору рабочей скорости газов в сушильном барабане ω

Размер частиц, мм	Значение ω, м/с, при рм, кг/м3
	350	1000	1400	1800	2200
0,3-2 Более 2	0,5-1 1-3	2-5 3-5	3-7,5 4-8	4-8 6-10	5-10 7-12

Для полидисперсных материалов с частицами размером от 0,2 до 5 мм и насыпной плотностью ρ_м = 800 - 1200 кг/м3 обычно принимают скорость газов в интервале 2 - 5 м/с. В данном случае размер частиц высушиваемого материала от 1 до 2 мм, насыпная плотность 1200 кг/м³. Принимаем скорость газов в барабане ω = м/с. Плотность сушильного агента при средней температуре в барабанеt_ср = (+)/2 =°С практически со­ответствует плотности воздуха при этой температуре:

ρ_ср===

При этом ωρ_ср = ∙=кг/(м²∙с), что не нарушает справедливости уравнения.

Частота вращения барабана обычно не превышает 5 - 8 об/мин; принимаем n = 5 об/мин.

Рисунок 2 - Типы перевалочных устройств, применяемых в барабанных сушилках, и степень заполнения барабана β: 1 - подъемно-лопастные, β = 12 %; 2 — подъемно-лопастные, β= 14 %; 3 — распределительные, β = 20,6 %; 4 — распределитель­ные с закрытыми ячейками, β = 27,5 %.

Степень заполнения барабана высушиваемым материалом β для разных конструкций перевалочных устройств различна. Наиболее распространенные перевалочные устройства показаны на рисунке 2. Для рассматриваемой конструкции сушильного барабана β = 12 %.

Процесс сушки осуществляется при атмосферном давлении, т. е. при Р₀ = 10⁵ Па. Парциальное давление водяных паров в сушильном барабане опре­делим как среднеарифметическую величину между парциальными давлениями на входе газа в сушилку и на выходе из нее.

Парциальное давление водяных паров в газе определим по уравнению;

р=(18)

Тогда на входе в сушилку:

р₁==

на выходе из сушилки:

р₂==

Откуда

р = (р₁ + р₂)/2 = (+)/2 =Па

Таким образом, объемный коэффициент массоотдачи равен:

β_v=1,62∙10-2=с^-1

Движущую силу массопередачи ∆x'_ср определим по уравнению;

∆x'_ср ==(19)

где ∆x'_б = х₁* — х'₁ — движущая сила в начале процесса сушки, кг/м³;

∆х'_м = х₂* — х'₂ — движущая сила в конце процесса сушки, кг/м³;

х₁* — х₂* — равновесное содержание влаги на входе в сушилку и на выходе из нее, кг/м³.

Средняя движущая сила ∆Рср, выраженная через единицы давления (Па), равна:

∆Р_ср=(20)

Для случая прямоточного движения сушильного агента и высушиваемого материала имеем:

∆Р_б = Р₁* — Р₁ — движущая сила в начале процесса сушки, Па;

∆Р_м = Р₂* — Р₂ — движущая сила в конце процесса сушки, Па

Р₁*, Р₂* — давление насыщенных паров над влажным материалом в начале и в конце процесса сушки, Па.

Значения Р₁* и Р₂* определяются по температуре мокрого термометра сушильного агента в начале t_м1 и в конце t_м2 процесса сушки. По диаграмме I - х найдем: t_м1= °С,t_м2 = °С; при этом Р₁* = Па, Р₂* = Па.

Тогда:

∆Р_ср==Па

Выразим движущую силу в кг/м³ по уравнению;

∆x'_ср ==

Объем сушильного барабана, необходимый для проведения процесса испарения влаги, без учета объема аппарата, требуемого на прогрев влажного материала, находим по уравнению (6):

V_с = /∙=м³

Объем сушилки, необходимый для прогрева влажного материала, находят по модифицированному уравнению теплопередачи:

V_п = Q_п/K_v∆t_cp (21)

где Q_п — расход тепла на прогрев материала до температуры t_м1 кВт; К_v - объемный коэффициент теплопередачи, кВт/(м³∙К); ∆t_ср — средняя разность температур, град.

Расход тепла Q_н равен:

Q_п = ∙(-) +∙4,19(-) =кВт

Объемный коэффициент теплопередачи определяют по эмпирическому уравнению:

К_v= 16∙1,78^0,9 5^0,7∙12^0,54 =336 Вт/(м³∙К) = 0,336 кВт/(м³∙К)

Для вычисления ∆t_ср необходимо найти температуру сушильного агента t_х, до которой он охладится, отдавая тепло на нагрев высушиваемого материала до t_м1. Эту температуру можно определить из уравнения теплового баланса:

Q_п=L_с.г(1+x₁)с_г(t₁-t_x) (22)

= (1 +) 1,05 (-t_х)

Откуда t_x = °С.

Средняя разность температур ∆t_cр равна:

∆t_cр =(23)

∆t_cр ==°С

Подставляем полученные значения в уравнение:

Vп = /∙=м³

Общий объем сушильного барабана равен:

V=+=

Далее по справочным данным находим основные характеристики барабанной сушилки — длину и диаметр. В таблице 2 приведены основные характеристики барабанных сушилок, выпускаемых заводами «Уралхиммаш» и «Прогресс».

Таблица 2 - Основные характеристики барабанных сушилок заводов «Уралхиммаш» и «Прогресс»

Показатели	Номер по заводской спецификации
	7450	7119	6843	6720	7207	7208
Внутренний диаметр барабана, м	1,5	1,8	2,2	2,2	2,8	2,8
Длина барабана, м	8	12	12	14	12	14
Толщина стенок наружного цилиндра, мм	10	12	14	14	14	14
Объем сушильного пространства м3	14,1	30,5	45,6	53,2	74,0	86,2
Число ячеек, шт.	25	28	28	28	51	51
Частота вращения барабана, об/мин	5	5	5	5	5	5
Общая масса, т	13,6	24,7	42	45,7	65	70
Потребляемая мощность двигателя, кВт	5,9	10,3	12,5	14,7	20,6	25,8

По таблице выбираем барабанную сушилку со следующими характеристиками: объемV=м³, диаметрd=м, длинаl=м.

Определим действительную скорость газов на барабане w_д:

w_д = v_г/0, 785d²

Объемный расход влажного сушильного агента выходе из барабана v_г, м³/с равен:

v_г=L_с.гv₀() (24)

где x_ср— среднее содержание влаги в сушильном агенте, кг/кг влажного воздуха.

v_г=∙(+)=

Тогда:

w_д =/=м³/с

Действительная скорость газов (w=м/с =w_д=м/с)

Далее определим среднее время пребывания ма­териала в сушилке:

τ=(25)

Количество находящегося в сушилке материала G_м(кг) равно:

G_м = Vβρ_м;(26)

G_м=∙∙=кг

Отсюда

τ==

Зная время пребывания, рассчитаем угол наклона барабана:

α'=()(27)

α'=()=°

Далее необходимо проверить допустимую ско­рость газов, исходя из условия, что частицы высушиваемого материала наименьшего диаметра не должны уноситься потоком сушильного агента из барабана. Скорость уноса, равную скорости свобод­ного витания w_св, определяют по уравнению:

w_св=() (28)

где (μ_сри ρ_ср— вязкость и плотность сушильного агента при средней температуре;d, — наименьший диаметр частиц материала, м; А_r=d³ρ_чρ_срg/μ²cp— критерий Архимеда; ρ_ч— плотность частиц высушиваемого материала, равная для песка 1500 кг/м³.

Средняя плотность сушильного агента ρ_срравна:

ρ_ср= [М_св(Рo-P) + МвР]

ρ_ср= [(10⁵—) +]=кг/м³

A_r==

Скорость уноса w_св:

w_св=()=м/с

Рабочая скорость сушильного агента в сушилке w_д= 4,3 м/с меньше, чем скорость уноса частиц наименьшего размераw_св= 6.3 м/с, поэтому расчет основных размеров сушильного барабана заканчиваем.