Пути интенсификации барабанных сушильных аппаратов

УДК 66.047.57

ПУТИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ БАРАБАННЫХ СУШИЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Т.А. Жукова, А.В. Алтухов

Южно-Казахстанский гуманитарный институт им. М. Сапарбаева, г. Алматы, Казахстан

Представлена членом редколлегии профессором Н.Ц. Гатаповой

На современном этапе, в плане экономии энергетических ресурсов остро стоит вопрос снижения энергозатрат тепло- и массообменных аппаратов, используемых для сушки дисперсных материалов, так как процесс сушки является одним из самых энергоемких процессов в производстве.

В химической, пищевой и других отраслях промышленности для проведения процессов сушки широкое применение нашли барабанные сушильные аппараты. Это обусловлено простотой их конструкции, большой производительностью и универсальностью.

Известно, что основные затраты энергии в барабанных сушилках приходятся на нагрев сушильного агента и привод барабана. Поэтому для снижения энергопотребления данными аппаратами могут быть использованы два пути. Во-первых, уменьшение затрат на подготовку агента сушки интенсификацией процесса меж-фазного тепломассообмена, а во-вторых, снижение мощности привода.

Интенсифицировать процессы тепло- и массообмена можно путем улучшения условий контакта высушиваемого материала и теплоносителя. Для этого необходимо такое распределительное устройство, которое позволяет равномерно распределять материал по поперечному сечению барабана.

Уменьшение затрат энергии на привод в данных аппаратах можно достичь использованием вращающейся периферийной лопастной насадки в неподвижном барабане. К тому же, такая конструкция сушилки не требует дорогостоящих опорно-упорных станций и исключает потери высокотемпературного теплоносителя через уплотнения в паре барабан-бункер.

С целью решения вышеназванных задач нами разработан сушильный барабанный аппарат с вращающейся контактной зоной, в котором установлена периферийная лопастная насадка, вращающаяся в неподвижном барабане, а в свободном от периферийных лопаток пространстве расположено распределительное устройство, представляющее набор вращающихся лопастных элементов.

Для сравнительной оценки эффективности распределительных устройств с различными подвижными лопастными элементами нами предложен коэффициент равномерности распределения Кр [1], позволяющий оценить соответствие распределения материала, полученного экспериментальным путем, принятому идеальному закону распределения в двухмерном пространстве. Он является совокупным параметром, характеризующим эффективность «разбрызгивания» частиц подвижными элементами одновременно в продольном и поперечном сечениях сушильного барабана.

С целью определения наиболее рациональной конструкции подвижных элементов, исследования проводились с группой лопастных элементов с прямыми лопатками, расположенными параллельно оси вращения элемента, элементов с прямыми лопатками, расположенными под углом к оси вращения элемента и элементов с дугообразными лопатками, расположенными под углом к оси вращения элемента. Результаты данных исследований представлены на рис. 1, кото-

Рис. 1. Зависимость равномерности распределения материала группой лопастных элементов от количества лопаток у подвижного элемента:

1 - с прямыми лопатками, расположенными параллельно оси вращения;

2 - с прямыми лопатками, расположенными под углом к оси вращения;

3 - с изогнутыми лопатками

рый демонстрирует явное преимущество элементов с дугообразными лопатками в плане равномерности распределения материала, поскольку, в данном случае значение коэффициента равномерности распределения материала Кр в 2,7 раза выше, чем у элементов с прямыми лопатками, расположенными под углом к оси вращения элемента, и практически в 10 раз, чем у элементов с прямыми лопатками, расположенными параллельно оси вращения элемента. Кроме того, в процессе экспериментальных исследований выявлено, что на величину коэффициента Кь а следовательно, и на равномерность распределения материала группой подвижных элементов с дугообразными лопатками, оказывают влияние длина Ь, количество 2 и угол поворота а лопаток, а также радиус дуги Я, расстояния Ь1 и Ь2 между элементами в горизонтальной и вертикальной плоскостях соответственно, скорость О ссыпания материала с лопаток вращающейся периферийной насадки (на рис. 1 соответствует Ь = 0,06 м, О = 0,519 кг/с, Ь1 = 2,5Ь, Ь2 = 3,25Ь).

В результате обработки данных экспериментальных исследований получено следующее эмпирическое уравнение для расчета Кр:

Кр = 1,69

- 2,152/1п(2))(1,13 + 9,1Я/1п(Я) -1,5 • 10-4/Я2)(1,19 -6,67О21п(О) - 3,88О3) .

В результате решения данного уравнения при условии стремления Кр к максимуму определены оптимальные конструктивные параметры подвижных лопастных элементов, приведенные в табл. 1.

Анализ данных сравнительных исследований зависимости энергопотребления привода при различной плотности материала показал, что для вращения насадки в неподвижном барабане требуется меньшая мощность, чем для вращения сушильного барабана (рис. 2). На рис. 2 видно, что при плотности материала 3

р = 560 кг/м потребление электроэнергии на привод насадки на 75 Вт ниже, чем

3

на вращение барабана с неподвижной насадкой, а при р = 1200 кг/м - меньше на 161 Вт.

Оптимальные параметры распределительного устройства

G, кг/с L1, м L2, м L, м a Z, шт. R, м

0,3 2,5L 2,25L 0,044 17° 4 0,043

0,6 2,5L 2,5L 0,044 17 4 0,04

N кВт

Рис. 2. Зависимость энергопотребления привода N от плотности р высушиваемого материала в аппарате:

1 - с вращающейся насадкой; 2 - с вращающимся барабаном

Таким образом, выявлено, что потребление энергии в неподвижном барабане с вращающейся насадкой ниже, чем при вращающемся барабане на 10...25 % в зависимости от скорости вращения и коэффициента заполнения барабана материалом. В то же время исследования показали, что использование предлагаемого аппарата целесообразно при коэффициенте заполнения барабана материалом до 18 %.

В результате обработки экспериментальных данных было получено расчетное уравнение необходимой мощности электродвигателя привода вращающейся насадки

N = 0,143 -104 Б3рпЬу0,6220Д53,

где Б - диаметр сушильного барабана, м; р - плотность высушиваемого материала, кг/м3; п - скорость вращения привода насадки, мин 1; Ь - длина лопаток, м; у - коэффициент заполнения материалом сушильного барабана, %; 2 - количество лопаток периферийной подвижной насадки.

Кроме того, были проведены экспериментальные исследования по изучению процессов тепло- и массообмена в аппарате с вращающейся контактной зоной [2].

В целях разработки расчетного уравнения коэффициента теплообмена в барабанном аппарате с вращающейся контактной зоной были проведены исследования по определению зависимости температуры газа /2, материала 02 и их влажности на выходе из сушилки от технологических и конструктивных параметров сушильного аппарата.

Сравнительная оценка значений теплового числа Нуссельта Ми в аппарате с вращающейся контактной зоной и в аппарате с вращающимся барабаном показывает [3], что в нашем случае Ми выше (рис. 3) на 11 % при значении числа Рейнольдса Яе = 390 и на 12,7 % - при Яе = 990.

На рис. 4 представлены результаты исследований зависимости диффузионного числа Нуссельта от числа Рейнольдса. Здесь наблюдается аналогичная зависимость, а именно: при Яе = 420 Ми больше на 10 %, а при Яе = 990 - на 13,8 %.

В результате аналитической обработки экспериментальных данных получены следующие уравнения для расчета теплового Ми и диффузионного Ми' чисел Нус-сельта для барабанных сушилок с вращающейся контактной зоной:

хт г\ Алл і тут п 0,78^ 0,3^ 0,2 /оч

Ми = 0,0021К^Яе Рг ви ;

0,57 0,33

Ми' = 0,351^Ре0,Рг0,

Ми

Рис. 3. Зависимость № = /Ке):

1 - распределительная насадка с подвижными элементами, лопатки которых загнуты и наклонены под углом к оси их вращения;

2 - распределительная насадка с подвижными элементами, лопатки которых наклонены под углом к оси их вращения;

О = 0,082 кг/с; аб = 1°; п = 13,3 мин 1

Ми'

Рис. 4. Зависимость Ми- .Две):

1 - распределительное устройство с подвижными элементами с изогнутыми лопатками;

2 - распределительная насадка с подвижными элементами, лопатки которых наклонены

под углом к оси их вращения; м> = 2,6 м/с; аб = 1°; п = 13,3 мин 1

Рациональные режимы процесса сушки

Dq, м ti, °С w, м/с аб n, об/мин

0,5 80 ,5 en ,5 2, 0,5° ,0 ,2

1,0 80 © ,5 2, 0,5 ,2 ,5

1,5 120 ,0 en ,0 2 1,0 5,16...8,13

2,0 100 ,0 en ,0 2 1,5 4,96...8,13

В уравнениях (3) и (4) Kv - коэффициент использования объема барабана, позволяющий оценить эффективность сушильного барабана с точки зрения равномерности распределения материала в его объеме.

Kv = Kp ^,

е1

где Kp - коэффициент равномерности распределения материала; е1 - идеальная порозность материала в барабане; е2 - действительная порозность материала в барабане.

На основе анализа экспериментальных данных и оптимизационных расчетов, при условии минимальных энергетических затрат на удаление 1 кг влаги, определены рациональные параметры проведения процесса сушки в промышленных аппаратах (табл. 2).

Таким образом, подводя итог нашим исследованиям, можно сделать вывод, что предлагаемый сушильный аппарат обладает высокой эффективностью и небольшими затратами энергии.

Список литературы

1. Моделирование процесса заполнения сушильного барабана с подвижным распределительным устройством / А.В. Алтухов [и др.] // Труды международной научно-практической конференции «Проблемы естественно-технических наук на современном этапе». - Бишкек, 2002. - С. 56-60.

2. Алтухов, А.В. Тепло- и массообмен в сушильных барабанных аппаратах, содержащих распределительные элементы с закругленными лопастями / А.В. Алтухов, О.С. Балабеков, Т.А. Жукова // Труды международной научнопрактической конференции «Проблемы химической технологии неорганических, органических, силикатных и строительных материалов и подготовки инженерных кадров». - Шымкент, 2002. - Т. 1. - С. 9-14.

3. Алтухов, А.В. К расчету процесса теплообмена в сушильном барабане с вращающимися элементами / А.В. Алтухов, О.С. Балабеков, Т.А. Жукова // Поиск. - Алматы. - 2004. - № 1. - С. 258-261.

Ways of Intensification of Drum-Type Driers T.A. Zhukova, A.V. Altukhov

South Kazakhstan Humanitarian named after M. Saparbaev, Almaty, Kazakhstan

Wege der Intensivierung der Trommeltrockenapparate

Voies de l’intensification des appareils de séchage à tambours