Барабанная сушилка

Предлагаемое техническое решение относится к аппаратам для сушки дисперсных материалов, а именно к двухходовым барабанным сушилкам, и может найти применение в химической, нефтехимической, горноперерабатывающей, строительной, металлургической, пищевой, фармакологической, автодорожной и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах переработки и утилизации твердых и твердообразующих отходов.
Известна конструкция двухходовой барабанной сушилки, состоящей из двух барабанов - внутреннего и наружного. Внутренний барабан состоит из трех частей, соединенных между собой болтами. Для компенсации температурного  расширения в местах соединений поставлены прокладки. Оба барабана снабжены подъемно-лопастной внутренней насадкой. Влажный материал из питателя поступает во внутренний барабан, откуда также подается газообразный сушильный агент, нагретый до 700°С. Далее материал, теплоноситель движутся прямотоком и поступают во внешний барабан, где также сохраняется прямоточная схема их движения. Высушенный материал из внешнего барабана ссыпается в камеру, расположенную со стороны горячей головки внутреннего барабана, и удаляется из сушилки. Газы из камеры направляются на очистку в циклоны (Лыков М.В. Сушка в химической промышленности. – М.: Химия, 1970, с. 189).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся сложность выполнения конструкции и возможность налипания частиц на поверхности внутреннего барабана, что приведет к уменьшению времени безостановочной работы аппарата, а, следовательно, и к снижению производительности по высушиваемому материалу.
Известна конструкция барабанной сушилки с двумя соосно расположенными горизонтальными барабанами. Неподвижный внутренний барабан имеет загрузочное устройство для подачи влажного материала и сообщается с топкой, из которой поступают высокотемпературные дымовые газы. Сушка во внутреннем барабане происходит во взвешенном состоянии при прямоточном движении материала и сушильного агента. Торец наружного вращающегося барабана со стороны точки изолирован от нее и входит в разгрузочный коллектор, который соединяется с циклонами вентилятором. С другой стороны вращающийся барабан входит в неподвижную камеру и уплотняется в месте соединения относительно ее стенок. В нижней части этой камеры имеется вращающийся ротор, взвихряющий и измельчающий частицы, которые поступают из внутреннего неподвижного барабана. Подача материала из неподвижной камеры в наружный вращающийся барабан регулируется с помощью клапанов. Сушилка имеет систему отсоса теплоносителя. Предусмотрена также возможность подачи свежего сушильного агента через обводную трубу непосредственно в неподвижную камеру (Пат. ФРГ 976224, кл 82а, 39, 1961г.).
К недостаткам конструкции относятся сложность и невысокая надежность узлов измельчения материала и его дозировки в наружный барабан, что может приводить к увеличению кусков материала, а, следовательно, уменьшению времени безостановочной работы и производительности.
Известна конструкция барабанной сушилки. Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков, и принятому за прототип, является конструкция барабанной сушилки, преимущественно для дисперсных и гранулированных материалов, содержащая два соосно расположенных вращающихся барабана, топку и систему отсоса теплоносителя, где оба барабана параллельно подсоединены к топке, а система отсоса теплоносителя для каждого из них выполнена автономной, причем внутренний барабан выполнен в виде цилиндрических обечаек различного диаметра, имеющих телескопическое соединение и установленных с возможностью осевого перемещения, а внутренняя из смежных обечаек имеет острую кромку (а.с. СССР №775564 F 26 B 11/4, 1980 г.)
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится то, что исполнение внутреннего барабана из обечаек различного диаметра, соединенных телескопически, приводит к образованию застойных зон в местах соединения, налипанию материала, а также возможность налипания материала на внутреннюю поверхность наружной трубы, что в совокупности приведет к уменьшению времени безостановочной работы, снижению производительности по высушиваемому материалу, а, следовательно, общей производительности аппарата.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков, и принятому за прототип, является конструкция барабанной сушилки, содержащей два вращающихся барабана, присоединенных к топке, где наружный барабан расположен под углом наклона к горизонту  а внутренний барабан, установленный под углом конусности  противоположным углу наклона наружного барабана, выполнен в виде конической обечайки, опорами которого служат цилиндрические пружины, равномерно распределенные по периметру и по длине (ПМ РФ 205 150, F 26 B 11/4, 2021 г.).
К причине, препятствующей достижению заданного технического результата, относится недостаточная интенсивность тепло- и массопередачи от сушильного агента к частицам высушиваемого материала во внутреннем барабане. Это снижает основное время работы, а значит производительность.
Техническим результатом предлагаемой конструкции барабанной сушилки является увеличение производительности.
Поставленный технический результат достигается тем, что барабанная сушилка, содержащая наружный барабан, расположенный под углом наклона к горизонту  и внутренний барабан, установленный под углом конусности  противоположным углу наклона наружного барабана, который выполнен в виде конической обечайки, опорами которого служат пружины, равномерно распределенные по периметру и по длине, причем опоры выполнены из конических пружин переменной жесткости, частота колебаний которых определяется выражением:
где  - частота колебаний конических пружин, Гц;
k –
минимальная жесткость пружины, Н/м;
М
– масса внутреннего барабана, кг;
n
– число конических пружин;
максимальная и минимальная жесткость пружины определяется следующим соотношением:
К
k
где и  – соответственно наибольшая и наименьшая жесткость конической пружины, Н/м;
М
m
и  – соответственно масса внутреннего барабана без высушиваемого материала и масса высушиваемого материала, кг.
Крепление внутреннего барабана на опорах, выполненных из конических пружин переменной жесткости, собственная частота колебаний которых определяется выражением (1), позволяет повысить амплитуду резонансных колебаний, что в итоге приведет к увеличению производительности.
Максимальная жесткость пружины определяется пропорцией (2). Тогда собственная частота колебаний пустого внутреннего барабана как физического маятника определяется согласно выражению (1) и с высушиваемым материалом:
При выполнении пропорции (2):
и при любой массе высушиваемого материала во внутреннем барабане его собственная частота колебаний как пружинного маятника равна частоте колебаний пустого барабана и вынужденной частоте колебаний, что приводит к колебаниям в резонансном режиме, что интенсифицирует процесс тепло- и массопередачи, а следовательно производительность.
На чертеже  представлена схема предлагаемой конструкции барабанной сушилки.
Барабанная сушилка содержит дутьевой вентилятор 1, топку 2, наружный барабан 3, расположенный под углом наклона к горизонту  и внутренний барабан 4, выполненный в виде конической обечайки, установленный под углом конусности  противоположным углу наклона наружного барабана, систему лотков 5 для перегрузки материала из внешнего барабана во внутренний, опоры 6, выполненные из конических пружин, максимальная и минимальная жесткость которых определяется выражением (2), переменной жесткости, собственная частота колебаний которых определяется выражением (1), равномерно распределенных по периметру и по длине, устройство загрузки влажного материала 7, патрубок для выгрузки готового продукта 8 и отвода отработанного сушильного агента 9.
Барабанная сушилка работает следующим образом.
Сушильный агент из топки 2 через открытые торцы поступает параллельно в оба вращающихся барабана 3 и 4. Влажный материал подается во внешний барабан 3 устройством загрузки 7 и при противоточном режиме высушивается до сыпучего состояния. Во внутренний барабан 4 материал перегружается с помощью лотков 5. В нем частицы материала приходят во взвешенное состояния за счет колебаний, создаваемых опорами 6, выполненные из конических пружин, максимальная и минимальная жесткость которых определяется выражением (2), переменной жесткости, собственная частота колебаний которых определяется выражением (1), при щадящем режиме. Готовый продукт выгружается через патрубок 8, а отработанный сушильный агент отводится через патрубок 9.
Пример. Пусть масса пустого внутреннего 4 барабана M=20 кг, а масса высушиваемого материала, подаваемая в него, m=50 кг. Общая наибольшая масса внутреннего барабана 4 с высушиваемым материалом:
М+m =70 кг.
Примем, что длина патрубка подвода сушильного агента 2,2 м, тогда вынужденная частота колебаний, создаваемая потоком воздуха, будет определяться выражением (Яворский В.М, Детлаф А.А. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1963. - с. 510):
где  – частота колебаний воздуха на входе в барабан, Гц;
C –
скорость звука в потоке воздуха, м/с;
d
– диаметр классифицирующей сетки, м.
°
Тогда, при скорости звука в потоке воздуха, при температуре 100С, равной 387,1 м/с, частота вынужденных колебаний составит:
.
Минимальное значение жесткости каждой опоры 6, выполненных из конических пружин переменной жесткости, принимаем  Н/м. Тогда максимальное значение жесткости каждой пружины определяется в виде:
.
Тогда число опор 6, выполненных из конических пружин переменной жесткости, определяется выражением:
то есть пружины с переменной жесткостью от
должны совершать колебания с частотой  при числе опор 6, выполненных из конических пружин переменной жесткости, равному 16, равномерно распределенных по длине в четырех проекциях.
Таким образом, крепление внутреннего барабана 4 на опоры 6, выполненные из конических пружин переменной жесткости, равномерно распределенных по длине и по периметру, повышает амплитуду резонансных колебаний между сушильным агентом и высушиваемым материалом, интенсифицирует тепло- и массообмен, что в свою очередь повышает производительность.