ИПИ. Исследование режимов работы сушильных устройств (сушильные установки)

• Название: Исследование режимов работы сушильных устройств (сушильные установки)
• Дата: 10.05.2022
• Размер: 2.36 Mb.
• Имя файла: ИПИ.docx
• Тип: Исследование; #520018
• страница: 1 из 20

Исследование режимов работы

сушильных устройств

(СУШИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ)








МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН


ФЕРГАНСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
КАФЕДРА
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
По дисциплине: Химическая технология строительных материалов

ФЕРГАНА -2020


ФЕРГАНА -2022г.


Исследование режимов работы сушильных устройств (СУШИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ)

Редактор и корректор Н.П.Новикова
Техн. редактор Л.Я.Титова	Темплан 2016 г., поз.30
Подп. к печати 04.04.16. Формат 60х84/16.	Бумага тип. №1.
Печать офсетная. Печ.л. 9,0 . Уч.-изд. л.	9,0.
Тираж 100 экз. Изд. № 30 . Цена “С”.	Заказ

Ризограф Высшей школы технологии и энергетики СПбГУПТД , 198095, СПб., ул. Ивана Черных, 4.


© Высшая школа технологии и энергетики СПбГУПТД , 2016 © Лакомкин В.Ю., Смородин С.Н., Громова Е.Н. , 2016



ВВЕДЕНИЕ


Сушильные установки являются неотъемлемой частью технологической схемы производства любого материала. Для сушки материалов применяются самые разнообразные установки, различающиеся по виду теплообмена, свойствам сушильного агента, конструкциям аппаратов и режиму работы.

Теория сушки базируется на термодинамике влажного воздуха, тепломассообмене, тепломассопереносе, а также на учении о связи влаги с коллоидными капиллярно-пористыми телами. Основные закономерности кинетики сушки влажных почв и грунтов были уста­новлены профессором П. С. Коссовичем (1904 г.). Профессор В. Е. Грум-Гржимайло в 1900-1911 гг. создал теорию движения газов в печах и сушильных установках. Профессор Л. К. Рамзин построил (1918 г.) I-d диаграмму влажного воздуха, которая служит основой для расчётов сушильных установок. Большое значение в области сушки влажных материалов имеют работы российских ученых П. А. Ребиндера, П. Д. Лебедева, А. В. Лыкова, В. В. Красникова, П. А. Жучкова и А. П. Бельского [1].

В настоящем учебном пособии изложены основные принципы конструктивного и поверочного расчетов тепломассообменных (сушильных) установок, рассмотрены процессы, протекающие при сушке влажных материалов, схемы и конструкции тепломассо­обменных аппаратов, приведены термодинамические свойства влажного воздуха.

Последнее издание подобного учебника относится к 2006 г. За прошедшие 10 лет был накоплен определенный опыт по расчету и проектированию тепломассообменных установок. В это же время произошла революция в сфере информационных технологий, а следовательно, и в сфере обучения. Использование фото, видео и звука позволяет сейчас применять новый способ подачи материала. В связи с этим некоторые разделы учебного пособия подверглись существенным изменениям и дополнениям.

Настоящее пособие предназначено для использования в учебном процессе по трем направлениям: для самостоятельного обучения, иллюстрации лекций и проведения практических занятий.



ГЛАВА 1. ТЕРМОДИНАМИКА ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

1. 
   Классификация сушильных установок
   

Сушкой называется термический процесс удаления влаги из материала, сопровождающийся испарением влаги и изменением его физико-механических свойств. Сушка наиболее дорогостоящий процесс обезвоживания влажных материалов в сравнении с процессами прессования или центрифугирования в связи с затратами энергии на изменение фазового состояния влаги.

Основным назначением сушки влажных материалов является придание им определённых структурно-механических и термических свойств (например, кирпичу, древесине, изоляционным и другим материалам) и увеличение теплоты сгорания ископаемых и вторичных топлив (например, торфа, корьевых отходов, биологического ила).

Сушка применяется также с целью консервации и хранения пищевых продуктов (например, сухарей, макарон и других продуктов).

Процессы сушки включают в себя тепломассообмен с окружающей средой при испарении влаги, перенос теплоты и массы вещества внутри материала, усадочные процессы. Сушка является не только теплофизическим, но и технологическим процессом, при котором происходят сложные необратимые физико-химические, коллоидно-физические и биохимические изменения материала.

Основным признаком классификации сушильных установок является способ подвода теплоты к поверхности высушиваемого материала.

Конвективные сушильные установки имеют наибольшее распространение в связи с простотой их конструкции, доступностью сушильного агента, широкими регулировочными способностями и ассортиментом высушиваемых материалов, высоким коэффициентом полезного действия. В этих установках теплота передаётся конвективным способом за счёт непосредственного соприкосновения сушильного агента с материалом.

Контактные (кондуктивные) сушильные установки применяются, главным образом, для сушки ленточных волокнистых материалов (ткани, бумага, картон, целлюлоза), а также пастообразных материалов (дрожжи). В таких установках теплота передаётся за счёт непосредственного контакта нагретой металлической поверхности с влажным материалом без





дополнительных затрат на передачу энергии от источника к материалу. Они являются высокопроизводительными эффективными установками.

Радиационные сушильные установки основаны на принципе передачи теплоты от высоконагретой поверхности влажному материалу с помощью электромагнитных волн. Они применяются, главным образом, для сушки тонких покрытий, например, лакокрасочных покрытий деталей, покровных и клеевых слоев бумаги и др.

Комбинированные сушильные установки включают в себя различные способы подвода теплоты к материалу: радиационно­конвективные, контактно-конвективные и др. Они являются наиболее прогрессивными в связи с высокой интенсивностью испарения влаги, получением необходимых качественных показателей материала и минимальными затратами тепловой энергии на сушку.

Сушильные установки различаются также по виду применяемых теплоносителей, которыми могут быть воздух, разбавленные продукты сгорания, пар (перегретый или насыщенный), перегретая вода, высокотемпературные теплоносители.

По давлению, под которым находится материал, сушильные установки разделяются на атмосферные, вакуумные, камеры под избыточным давлением.

По относительному движению сушильного агента и материала сушильные установки классифицируются на прямоточные, противоточные, с перекрестным током, сопловым обдувом.

По принципу циркуляции сушильного агента используются сушильные установки с естественной и принудительной циркуляцией.

По конструктивным признакам - камерные, туннельные, ленточные, барабанные, трубчатые сушильные установки.

2. 
   Свойства (параметры) влажного воздуха
   

Независимо от способа подвода теплоты к высушиваемому материалу, удаление влаги осуществляется с помощью влагопоглощающих газов. В большинстве случаев используется нагретый воздух или разбавленные воздухом продукты сгорания топлива.

Сухой воздух состоит из кислорода (V = 21 %), азота (V = 78 %) и незначительного количества других газов.

Влажный воздух рассматривают как бинарную смесь, состоящую из сухого воздуха и водяного пара. В соответствии





с законом Дальтона (рис. 1.1) давление воздуха р_б складывается из парциальных давлений сухого воздуха р_в и водяного пара р_п Рб = Рв + Рп , Па .





Рис. 1.1. Иллюстрация к закону Дальтона


Парциальным давлением называется давление, которое имел бы газ, входящий в состав газовой смеси, если бы он один занимал объем, равный объему смеси при той же температуре.

Водяной пар в воздухе может быть перегретым или насыщенным. Например, в аудитории в воздухе пар находится в перегретом состоянии, а на улице во время дождя - в насыщенном состоянии.

Смесь, состоящая из сухого воздуха и перегретого пара, называется ненасыщенным влажным воздухом. Такой воздух способен к дальнейшему увлажнению и представляет наибольший интерес в смысле технического использования. Смесь, состоящая из сухого воздуха и насыщенного водяного пара, называется насыщенным влажным воздухом.

Абсолютная влажность воздуха - это масса водяного пара т_п,

о

содержащаяся в 1 м влажного воздуха. Она равна плотности водяного пара р_п при соответствующем парциальном давлении и температуре

р_п = т_п /V, кг/м³ .





Влагосодержание воздуха d - это отношение массы пара, содержащегося во влажном воздухе, к массе сухого воздуха т_в. Влагосодержание также равно отношению плотности водяного пара к плотности сухого воздуха и выражается в граммах влаги на килограмм сухого воздуха

d = т_п /тв = рп /рв, г/кг .

Относительная влажность воздуха ф - это отношение массы

о

водяного пара, содержащегося в 1 м влажного воздуха, к

1 з

максимальном массе пара т_нп, которая может содержаться в 1 м влажного воздуха при полном его насыщении при той же температуре. Относительная влажность также равна отношению плотности пара к плотности насыщенного пара и выражается в долях или процентах

Ф = 100 • (т_п / тнп) = 100 • (р_п / р_т) .

1 Г vy vy О 1 vy

Под энтальпией, являющемся тепловом функцией системы, понимается количество теплоты, подведенной к системе при постоянном давлении и нагреве в пределах от 0 до t °С.

Энтальпия водяного пара определяется как суммарное количество теплоты, затраченной на нагрев жидкости - i_x, ее испарение - г и перегрев пара при постоянном давлении с_п(1_пп - W

ⁱH ^ ^Г + ^сп О-ИИ ^- ^ИИ^{) , кДж/кг пара} .

Энтальпия водяного пара может быть вычислена по приближенному уравнению Рамзина

^ ^ + с_п- = 2500 + 2- 1;_п , кДж/кг пара , где ic - удельная энтальпия сухого насыщенного пара при 0 °С и нормальном давлении 2500 кДж/кг пара); с_п 2 кДж/(кг • К) - удельная теплоемкость пара; 1;_п - температура пара (или температура перегрева пара от 0 °С до 1п).

Энтальпия влажного воздуха определяется как энтальпия газовой смеси, состоящей из 1 кг сухого воздуха и d кг водяного пара

1вв = св- -в + 0о + сп О • d /1000 =

=1- 1;_в + (2500 + 2- 1;_в) • d /1000, кДж /кг возд. ,

где с_в - теплоемкость воздуха (с_в 1 в диапазоне температур от 0 до 500 °С); 1;_в, 1;_п - температуры сухого воздуха и пара (поскольку пар находится в смеси с воздухом, то 1^ = 1;_в); 1000 - коэффициент перевода граммов в килограммы.





Температура - это физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Для газов температура пропорциональна средней кинетической энергии движения молекул.

Параметры влажного воздуха характеризуются тремя температурами: температурой по сухому термометру, температурой по смоченному термометру и температурой точки росы.

Температура смоченного термометра 1;_м - это температура, которую приобретает воздух при увлажнении (в процессе испарения влаги) в адиабатических условиях до состояния полного насыщения. Температура ненасыщенного влажного воздуха по сухому термометру всегда больше температуры по смоченному термометру. В случае насыщенного влажного воздуха температура по сухому термометру равна температуре по смоченному термометру. Разность температур по сухому и смоченному термометрам 0 = ^ — 1;_м называется психрометрической разностью или теплообменным потенциалом воздуха, определяющим интенсивность испарения влаги на поверхности материала.

Для измерения температур по сухому и смоченному термометрам служит психрометр (рис. 1.2) , который состоит из двух одинаковых термометров, один из них измеряет температуру воздуха по сухому термометру, другой - по смоченному термометру.





Рис. 1.2. Психрометр

Составные компоненты сухого воздуха	Обозначение	Содержание, %
		по массе	по объёму
Азот	N2	75,55	78,13
Кислород	О2	23,10	20,90
Аргон, неон и другие
инертные газы	Ar, Ne	1,30	0,94
Углекислый газ	2 О2 С	0,05	0,03

С достаточной для технических расчётов точностью можно
считать, что влажный воздух является смесью идеальных газов.
Применяя уравнение Менделеева-Клапейрона (1.1) к абсолютно
сухому воздуху и пару, содержащимся в данном объеме V при
одинаковой температуре T, получим

^{m R} T (1.1)


Ps =


V ц.


и


Pi


m_LR_L

V ц


T


(1.2)


где т_п , т_в - молекулярная масса пара (18 кг/кмоль) и воздуха (28,9 кг/кмоль); R„ = Я/т_п и R_в = И/т_в - газовые постоянные для пара





и воздуха; R - универсальная газовая постоянная (8314 Дж/кмоль ■ К) - равна работе, совершаемой одним молем идеального газа при изобарном нагревании на один градус.

Разделив уравнение (1.2) на уравнение (1.1) , находим соотношение между влагосодержанием и парциальным давлением пара в воздухе

d = ^m = Нл Рп ₌ 0,622 • ^ = 0,622 • ^Рп , (кг/кг)


^ _{= =} 0,622 •^^1л-

^тв Цв Рв Рв Рб ^- Рг


или


d = 622 ^p— , (г/кг) , (1.3)

Pa ^- Pi

где р_б - барометрическое давление воздуха; р_п - парциальное давление
пара.

Уравнение Менделеева-Клапейрона для сухого насыщенного
пара имеет вид:

m R R

P„ = -г?—• T = Р„^ • т . (1.4)

V ц, ц,

Разделив уравнение (1.2) на (1.4) с учетом равенства температур
пара в ненасыщенном и насыщенном воздухе, находим (с точностью
до 2 %)

ф = Рп ^/ Рип = ^ ^/ . ⁽¹⁵⁾

Уравнение (1.5) показывает, что отношение абсолютных
влажностей в ненасыщенном и насыщенном воздухе равно
отношению парциальных давлений пара и, следовательно, равно
относительной влажности воздуха. С учетом (1.5) уравнение (1.3)
можно записать

d = 622 • ^ф'^Pri .
Pa ^-Ф• Pi,

Плотность сухого воздуха с учетом влияния температуры и
парциального давления можно рассчитать по формуле

р,,р^.Ь.,,.2,3. <sup>273 P


T</sup> Pa ²⁷³ +1, Pa

где р^о_в = 1, 293 кг/м³ - плотность сухого воздуха при нормальных

условиях. Плотность влажного воздуха с учетом выражения для влагосодержания d = р_п /р_в - будет





Ра = P_a ■ (1 + d) = 1,293—²⁷³— ■ ^■ (1 + d).

273 +1, p,

a Ad

Плотности воздуха и пара можно выразить через уравнение Менделеева-Клапейрона. Тогда плотность влажного воздуха


^рaa - ^pa + ^рi


Pa


Pi


(1.6)


Прибавив и вычтя из правой части уравнения (1.6) величину
p_п /(R T) и сгруппировав члены, получим

Г л л \


Р a


Pa


+


Pi


+


Pi


Pi


Pi + Pa Pl

T


Ra ■ T


11


V ^Ra


Pd


?■ Pii


Ra ■ T


T


V ^Ra


R


^Ri J

(1.7)


i J


Так как первый член в правой части уравнения (1.7) представляет собой плотность абсолютно сухого воздуха, то плотность влажного воздуха всегда будет меньше плотности сухого воздуха при той же температуре на величину второго члена. Объясняется это тем, что молекулярная масса водяных паров меньше средней молекулярной массы сухого воздуха. Следовательно, влажный воздух всегда легче сухого.

При расчётах расхода теплоты часто используют физическую величину - удельную теплоёмкость влажного воздуха, которая для смеси сухого воздуха и пара

с_вв = с„ + с_п d /1000 ,


где с_в = 1 кДж/(кг К) - массовая удельная теплоёмкость сухого
воздуха; с_п = 2 кДж/(кгК) - массовая удельная теплоёмкость пара;
d - влагосодержание воздуха.

Средняя величина кинематической вязкости влажного воздуха
определяется из уравнения смешения сухой части воздуха и пара

• 
  aa (Шв + ш_п) = Ув Шв + m_n , (1.8)
  

где Vaa, v_в, Vn - кинематические вязкости соответственно влажного
воздуха (средняя), сухого воздуха и водяного пара.

Из уравнения (1.8) следует, что средняя кинематическая
вязкость влажного воздуха
— V + d ■ V

Л/-- — a + ^ ^v i

• 
  aa — •
  

1 + d


1


1





Аналогичным образом определяется средняя теплопроводность влажного воздуха


где Х_в, Х_п - соответственно, теплопроводности сухого воздуха и пара; d - влагосодержание влажного воздуха.

3. 
   I-d диаграмма влажного воздуха и процессы на ней
   

Для расчетов и построения процессов изменения состояния воздуха в конвективных сушильных установках применяют I-d диаграмму, предложенную проф. Л. К. Рамзиным в 1918 г. По оси ординат диаграммы откладывают энтальпию влажного воздуха, отнесенную к 1 кг сухого воздуха, а по оси абсцисс - влаго- содержание d в граммах на 1 кг сухого воздуха (рис. 1.3).