ВИХРЕВАЯ СУШИЛЬНАЯ КАМЕРА ДЛЯ СУШКИ ДИСПЕРСНОГО МАТЕРИАЛА В ЗАКРУЧЕННОМ ПОТОКЕ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ С СВЧ-ЭНЕРГОПОДВОДОМ
VORTEX DRYING CHAMBER FOR DRYING DISPERSE MATERIAL IN SWIR FLOW OF HEAT CARRIER WITH SHF POWER SUPPLY

Изобретение относится к технике сушки, в частности к устройствам для проведения тепло- и массообменных процессов, а именно для комбинированной сушки дисперсных материалов, и может быть использовано в пищевой, химической, фармацевтической и смежных с ними областях промышленности.
В промышленности широкое распространение получили тепломассообменные аппараты с комбинированным энергоподводом, работающие в активном гидродинамическом режиме и использующие закрученный поток теплоносителя в качестве одного из наиболее эффективных средств интенсификации процесса сушки дисперсных материалов.
Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и достигаемому результату является установка для сушки дисперсного материала в активном гидродинамическом режиме с СВЧ-энергоподводом [Патент RU №2312280, F26B 17/00, F26B 3/347, 10.12.2007], содержащая вихревую камеру с входным патрубком для ввода газовзвеси, СВЧ-излучателями с защитными экранами и фторопластовыми окнами.
Сушильная камера данной установки имеет ряд недостатков:
- невысокое качество высушиваемого материала вследствие истирания его о внутреннюю поверхность камеры;
- нарушение стабильности вращающегося кольцевого слоя при сушке крупнодисперсных материалов из-за образования «завала» в зоне подъема высушиваемых частиц;
- значительные затраты электроэнергии на поддержание необходимой скорости теплоносителя для сохранения постоянства величины центробежной силы, удерживающей в камере слой дисперсного материала;
- необходимость установки большого количества СВЧ-излучателей, имеющих специальные волноводы сложной конфигурации для равномерного распределения потока СВЧ-энергии по объему камеры, что усложняет конструкцию и повышает затраты на ее изготовление.
Технической задачей изобретения является повышение качества высушиваемого материала, интенсификация процессов тепло- и массообмена, уменьшение энергозатрат на процесс сушки дисперсных материалов, обеспечение стабилизации активного гидродинамического режима вихревой сушильной камере и равномерного распределения потока СВЧ-энергии по объему камеры, упрощение конструкции вихревой сушильной камеры и снижение затрат на ее изготовление.
Поставленная техническая задача изобретения достигается тем, что в вихревой сушильной камере для сушки дисперсного материала в закрученном потоке теплоносителя с СВЧ-энергоподводом, включающей цилиндрический корпус с входным патрубком для ввода газовзвеси и отводящим патрубком для вывода высушенного материала, снабженный СВЧ-излучателем, новым является то, что внутренняя поверхность корпуса вихревой сушильной камеры снабжена фторопластовым покрытием для уменьшения истирания высушиваемого материала, патрубок для ввода газовзвеси выполнен сужающимся на входе в сушильную камеру, внутри вихревой сушильной камеры на ее боковой поверхности установлены локальные ускорители потока теплоносителя и направляющие вставки, выполненные из радиопрозрачного материала, причем локальные ускорители потока теплоносителя закреплены на боковой поверхности внутри вихревой сушильной камеры таким образом, чтобы сформировать устойчивый вращающийся кольцевой слой высушиваемых частиц материала и исключить возможность их накопления в зоне максимального сопротивления движению частиц, а направляющие вставки, отделяющие высушенные частицы от основного вращающегося кольцевого слоя и направляющие их в центральную зону вихревой сушильной камеры, расположены в зоне возврата частиц к точке подъема, СВЧ-излучатель установлен тангенциально на наружной цилиндрической поверхности корпуса вихревой сушильной камеры таким образом, чтобы наибольшая плотность потока электромагнитной энергии была сосредоточена в зоне вращающегося кольцевого слоя высушиваемых частиц материала.
Технический результат изобретения заключается в повышении качества высушиваемого материала, в интенсификации процессов тепло- и массообмена за счет повышения активности гидродинамической обстановки в сушильной камере вследствие увеличения межфазных относительных скоростей теплоносителя и частиц дисперсного материала, в обеспечении стабильности закрученного потока газовзвеси и в снижении энергозатрат на процесс сушки, в повышении эффективности поглощения высушиваемым материалом подводимой энергии, в упрощении конструкции вихревой сушильной камеры.
На фиг.1 изображен общий вид вихревой сушильной камеры для сушки дисперсного материала; фиг.2 - фронтальная проекция вихревой сушильной камеры; фиг.3 - схема сил, действующих на частицу в закрученном потоке теплоносителя.
Вихревая сушильная камера для сушки дисперсного материала в закрученном потоке теплоносителя с СВЧ-энергоподводом (фиг.1, 2) содержит цилиндрический корпус 1, патрубок 2 для ввода газовзвеси, выполненный сужающимся на входе в сушильную камеру, внутренняя поверхность корпуса вихревой сушильной камеры снабжена фторопластовым покрытием 3 для уменьшения коэффициента трения частиц материала о внутреннюю поверхность корпуса вихревой сушильной камеры, локальные ускорители потока теплоносителя 4 закреплены на боковой поверхности внутри корпуса вихревой сушильной камеры таким образом, чтобы сформировать устойчивый вращающийся кольцевой слой высушиваемых частиц материала и исключить возможность их накопления в зоне максимального сопротивления движению частиц и расположены в зоне подъема высушиваемого материала, направляющие вставки 5, отделяющие высушенные частицы от основного вращающегося слоя и направляющие их в центральную зону вихревой сушильной камеры, расположены в зоне возврата частиц к точке подъема, СВЧ-излучатель 6, установленный тангенциально на внешней цилиндрической поверхности корпуса 1 вихревой сушильной камеры таким образом, чтобы наибольшая плотность потока электромагнитной энергии была сосредоточена в зоне вращающегося кольцевого слоя высушиваемых частиц материала, отводящий патрубок 7 для вывода высушенного материала.
Сушку дисперсного материала в вихревой сушильной камере осуществляют следующим образом.
Образуемая после подачи влажного дисперсного материала в теплоноситель газовзвесь нагнетается в рабочее пространство вихревой сушильной камеры 1 через патрубок 2 для ввода газовзвеси, сужающийся на входе в сушильную камеру для увеличения скорости теплоносителя. При этом высушиваемый материал попадает в зону максимального сопротивления его движению (фиг.3), в которой существует наибольшая вероятность образования скопления высушиваемых частиц за счет возрастающего на этом участке сушильной камеры действия сил сопротивления движению материала и, как следствие, происходит нарушение стабильности вращающегося кольцевого слоя. Эта зона определяется изменением угла α наклона касательной а - а, проведенной к поверхности камеры через точку контакта каждой частицы высушиваемого материала с этой поверхностью, к горизонтали 0 - 0 в диапазоне 0°…90°.
Представленная на фиг.3 схема иллюстрирует действие на каждую частицу высушиваемого материала следующих сил:
гд
1) сила гидродинамического сопротивления F, Н
,
где ξ - коэффициент гидравлического сопротивления камеры;
d - диаметр частицы высушиваемого материала, м;
3
ρ - плотность теплоносителя, кг/м;
ω - скорость потока теплоносителя, м/с;
υ - абсолютная скорость частицы, м/с.
2) сила нормального давления (реакция вогнутой стенки камеры) N, Н;
тр
3) сила трения частицы о внутреннюю поверхность камеры F, Н
тр
F=fN,
где f - коэффициент трения частицы о материал внутренней поверхности камеры;
т
4) сила тяжести F, Н
т
F=mg,
где т - масса частицы, кг;
2
g=9,81 - ускорение свободного падения, м/с.
ц
5) центробежная сила F, Н
,
где R - радиус внутренней поверхности сушильной камеры, м.
Анализируя представленную схему (фиг.3), можно сделать вывод о влиянии действующих сил на ускорение частицы высушиваемого материала, которое в инерциальных системах прямо пропорционально величине равнодействующей этих сил и обратно пропорционально массе частицы:
.
где  - ускорение частицы;
- равнодействующая всех сил, действующих на частицу.
При прохождении частицей материала зоны максимального сопротивления ее движению уравнения движения этой частицы в проекциях на осях o-x и o-y выбранной системы координат могут быть представлены в виде:
Отсюда:
Движение рассматриваемой частицы определяется уравнением
Тогда ускорение частицы в общем случае будет определено зависимостью:
где α - угол наклона касательной а - а, проведенной к поверхности вихревой сушильной камеры через точку контакта частицы с этой поверхностью, к горизонтали 0-0, град.
Из приведенной зависимости следует, что отрицательное влияние на ускорение частицы оказывают коэффициент трения f частицы о материал внутренней поверхности вихревой сушильной камеры, угол α наклона касательной а - а, проведенной к поверхности камеры через точку контакта каждой частицы высушиваемого материала с этой поверхностью, к горизонтали 0-0, а также снижение скорости потока теплоносителя ω.
С целью уменьшения влияния коэффициента трения на ускорение частицы высушиваемого материала, а также предотвращения его истирания внутренняя поверхность вихревой сушильной камеры 1 снабжена фторопластовым покрытием 3.
Наибольшее влияние угла α наклона касательной а - а, проведенной к поверхности камеры через каждую точку контакта частицы высушиваемого материала с этой поверхностью, к горизонтали 0-0 на ускорение частицы наблюдается в интервале α=0°…90° (в зоне максимального сопротивления движению частиц), так как при α=0°…90° cosα > 0 и sinα > 0, поэтому при прохождении частицей дисперсного материала этой зоны ее замедление будет максимальным.
В интервале α=90°…180° влияние силы тяжести и силы нормального давления способствует уменьшению трения частицы о внутреннюю поверхность вихревой сушильной камеры. Анализируя зависимость (1), видим, что в интервале α=90°…180° cosα < 0. Это говорит о возможности ускорения частицы материала на этом участке камеры.
Однако частица не получает необходимого ускорения на данном участке вихревой сушильной камеры вследствие уменьшения скорости теплоносителя. Так как расход подведенного и отработанного теплоносителя одинаков, его скорость зависит от площади поперечного сечения газохода. Площадь поперечного сечения сушильной камеры резко увеличивается сразу за патрубком 2 для ввода газовзвеси. Вследствие этого происходит значительное рассеяние кинетической энергии газовой струи в рабочее пространство вихревой сушильной камеры и уменьшение скорости потока теплоносителя.
Повышение скорости потока теплоносителя без увеличения его расхода и, как следствие, увеличения потерь напора на участке нагнетания (а значит без увеличения энергозатрат) обеспечивается с помощью локальных ускорителей потока теплоносителя 4, расположенных в зоне подъема частиц высушиваемого материала, определенной интервалом α=0°…180°, и закрепленных на боковой поверхности внутри корпуса 1 вихревой сушильной камеры таким образом, чтобы сформировать устойчивый вращающийся кольцевой слой высушиваемых частиц материала и исключить возможность их накопления в зоне максимального сопротивления движению частиц.
ц
Вращение частиц влажного материала в течение основного времени сушки происходит в пристенной зоне вихревой сушильной камеры 1. В процессе сушки снижается влагосодержание частиц, уменьшается их масса, вследствие чего ослабевает действие на них центробежной силы F. В результате более легкие подсушенные частицы смещаются по радиусу к центру и с помощью направляющих вставок 5 отделяются от вращающегося кольцевого слоя и направляются в центральную зону вихревой сушильной камеры 1, где продолжают вращение до полного высушивания и уноса через отводной патрубок 7.
Расстояние установки локальных ускорителей потока теплоносителя 4 и направляющих вставок 5 от центра камеры определяется видом и размером частиц высушиваемого материала.
Для интенсификации процесса тепломассообмена и обеспечения наилучших условий поглощения частицами материала подводимой энергии СВЧ-излучатель 6 установлен на наружной цилиндрической поверхности вихревой сушильной камеры 1 в зоне расположения направляющих вставок 5, где обеспечивается снижение скорости газовзвеси и максимальное воздействие электромагнитного излучения на частицы материала, и тангенциально направлен в рабочее пространство камеры, чтобы испускаемые им электромагнитные волны, отражаясь от внутренней цилиндрической поверхности вихревой сушильной камеры 1, равномерно распределялись в области вращающегося кольцевого слоя, где наблюдается наивысшая концентрация высушиваемого материала.
Таким образом, предлагаемая вихревая сушильная камера для сушки дисперсного материала в закрученном потоке теплоносителя с СВЧ-энергоподводом имеет следующие преимущества:
- предлагаемая вихревая сушильная камера является универсальной, то есть она может использоваться во всех отраслях промышленности, где необходима сушка дисперсных материалов;
- выполнение внутренней поверхности вихревой сушильной камеры с фторопластовым покрытием позволяет уменьшить истирание частиц, вследствие чего значительно повышается качество высушиваемого материала;
- обеспечение закономерного движения частиц высушиваемого материала, то есть обеспечивается стабильность гидродинамической обстановки в рабочем пространстве вихревой сушильной камеры, интенсифицируется тепломассообмен и снижаются энергозатраты на процесс сушки;
- использование предлагаемой сушильной камеры позволяет повысить качество сушки всех классов дисперсных материалов за счет обеспечения равномерного поглощения подведенной энергии.
- уменьшение количества СВЧ-излучателей, исключение применения специальных волноводов сложной конфигурации для равномерного распределения потока СВЧ-энергии по объему камеры упрощает конструкцию вихревой сушильной камеры и снижает затраты на ее изготовление.