Сушилка пульсирующего слоя

Предлагаемое техническое решение относится к аппаратам псевдоожиженного /"кипящего"/ слоя, предназначенных для проведения химических реакций, сушки и других массообменных процессов между твердыми частицами и газовой средой, и может найти применение в химической, нефтехимической, фармацевтической и пищевой промышленности.
Известна конструкция вибросушилки с кипящим слоем «Эвер-Висс» (ФРГ), состоящая из вибропривода, распределительного короба и вибрирующей сушильной камеры (Лыков М.В. Сушка в химической промышленности. – М.: Химия, 1970, с. 215).
К причинам препятствующим достижению заданного технического результата, относится постоянная скорость сушильного агента внутри сушильной камеры, что снижает интенсивность тепло- и массопередачи от горячего сушильного агента к частицам высушиваемого материала, а значит производительность.
Известна конструкция однокамерной многозонной сушилки с направленным движением материала вдоль коридора и с теплообменным устройством в слое. Она состоит из газораспределительной решетки, разделенной по три зоны с индивидуальным подводом газа при разных температурах. В первой и второй зонах над решеткой расположены вибрирующие теплообменные поверхности, состоящие из элементов с оребренными трубами. Устройство укреплено на подвесках, что позволяет создавать горизонтальные колебания вдоль сушилки (Машины и аппараты химических производств и нефтепереработки: учебник для вузов/ А.С. Тимонин, Г.В. Боженко, В.Я. Борщев и др./ под общей редакцией А.С. Тимонина. – Калуга: издательство «Ноосфера», 2017, с. 711-712).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная интенсивность тепло- и массопередачи от сушильного агента к частицам высушиваемого материала из-за ограниченной скорости движения сушильного агента (воздуха или топочных газов). Это требует увеличение времени пребывания частиц в сушилке и соответственно приводит к снижению производительности.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип является установка для сушки сыпучих материалов, паст и суспензий, включающая газораспределительную решетку с газоподводящим патрубком, отводящий патрубок, загрузочное и разгрузочное устройства, корпус, установленный на виброопорах в который сушильный агент подается через пульсатор (п. м. №2215252, F 26 B 17/10 2003 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная интенсивность тепло- и массопередачи от сушильного агента к частицам высушиваемого материала из-за использования пружин высокой жесткости. Это снижает основное время работы, а значит  производительность.
Техническим результатом предлагаемой конструкции сушилки является увеличение производительности.
Поставленный технический результат достигается тем, что сушилка пульсирующего слоя, включающая газораспределительную решетку, устройства для подвода сыпучего тела и выгрузки готового продукта, корпус, установленный на виброопоры, выполненные в виде конических пружин переменной жесткости с постоянным шагом, причем сушильный агент подается с помощью пульсатора, частота колебаний которого определяется выражением:
<mrow><mi>ν</mi><mo>=</mo><mfrac bevelled="true"><mrow><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mi>k</mi><mo>⋅</mo><mi>n</mi></mrow><mi>M</mi></mfrac></mrow></msqrt></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow></mfrac></mrow>
, (1)
где  - частота колебаний пульсатора, Гц;
k – минимальная жесткость конической пружины, Н/м;
M – воздействующая на конические пружины масса корпуса, кг;
n – число конических пружин,
при этом максимальная и минимальная жесткость конической пружины определяется пропорцией:
<mrow><mfrac><mi>K</mi><mi>k</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>m</mi><mo>+</mo><mi>M</mi></mrow><mi>M</mi></mfrac></mrow>
, (2)
где К и k – соответственно максимальная и минимальная жесткость конической пружины, Н/м;
М и m – соответственно масса корпуса без высушиваемого материала и масса высушиваемого материала, кг.
Выполнение подачи сушильного агента с помощью пульсатора, частота колебаний которого определяется выражением (1), позволяет повысить амплитуду резонансных колебаний, что в итоге приведет к увеличению производительности.
Максимальная жесткость конической пружины определяется пропорцией (2). Тогда собственная частота колебаний пустого корпуса сушилки, как физического маятника, определяется согласно выражения (1), и с высушиваемым материалом:
. (3)
При выполнении пропорции (2):
,
и при любой массе высушиваемого материала в сушилке его собственная частота колебаний как пружинного маятника равна частоте колебаний пустой сушилки и вынужденной частоте колебаний пульсатора, что приводит к колебаниям всей сушилки в резонансном режиме, что интенсифицирует тепло- и массопередачу между высушиваемым материалом и сушильным агентом, а следовательно производитедьность.
На чертеже представлен общий вид предлагаемой конструкции сушилки в разрезе.
Сушилка состоит из корпуса 10, установленного на четырех виброопорах 5, состоящих из конических пружин 8 переменной жесткости. Дисперсный материал, подлежащий обработке, подается питателем 6, а готовый продукт выводится из корпуса 10 сушилки через патрубок 7. Сушильный агент через пульсатор 4, газоподводящий патрубок 3 подается в дутьвую камеру 2, проходит через газораспределительную решетку 1 и покидает сушилку через отводящий патрубок 9.
Сушилка работает следующим образом.
Газовый сушильный агент поступает, с заданной частотой пульсатора 4, через газоподводящий патрубок 3 в дутьевую камеру 2, далее через газораспределительную решетку 1 попадает в корпус 10.
Дисперсный материал, подлежащий обработке, подается питателем 6 в корпус 10, где происходит массоперенос влаги от поверхности высушиваемых частиц к газовому сушильному агенту.
Корпус сушилки 10, установленный на виброопорах 5 с коническими пружинами 8 переменной жесткости, совершает резонансные вертикальные колебания, что интенсифицирует тепло- и массообмен между высушиваемым материалом и сушильным агентом.
Готовый продукт выводится из корпуса 10 через патрубок 7, а отработанный сушильный агент выводится через отводящий патрубок 9.
При этом при воздействии промежуточных значений масс высушиваемого материала в сушилке так же происходят резонансные колебания с высокой амплитудой. Следовательно, при любой массе материала в сушилке обеспечиваются резонансные колебания с большой амплитудой, что позволяет интенсифицировать процесс тепло- и массообмена между высушиваемым материалом и сушульным агентом и увеличивает производительность сушилки.
Пример. Масса корпуса 10 M=200 кг, масса высушиваемого материала m=50 кг. Общая наибольшая масса сушилки с высушиваемым материалом:
М+m =250 кг,
число конических пружин 8, на которых установлена сушилка, равно n=4.
<mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>4</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>6</mn></msup></mrow>
Минимальное значение жесткости каждой из 4 пружин 8 принимаем  Н/м. Тогда максимальное значение жесткости каждой из 4 пружин 8, согласно пропорции (2), определяется в виде:
<mrow><mi>K</mi><mo>=</mo><mi>k</mi><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mi>m</mi><mo>+</mo><mi>M</mi></mrow><mi>m</mi></mfrac><mo>=</mo><mn>4</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>6</mn></msup><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mn>250</mn></mrow><mrow><mn>200</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>5</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>6</mn></msup><mfrac bevelled="true"><mi>H</mi><mi>м</mi></mfrac></mrow>
.
В этом случае необходимая частота вынужденных колебаний пульсатора 4 должна быть, согласно выражения (1):
<mrow><mi>ν</mi><mo>=</mo><mfrac bevelled="true"><mrow><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mn>4</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>6</mn></msup><mo>⋅</mo><mn>4</mn></mrow><mrow><mn>200</mn></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>45</mn><mi>Г</mi><mi>ц</mi></mrow>
,
то есть пульсатор 4 на пружинах 8 с переменной жесткостью от
<mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>4</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>6</mn></msup><mfrac bevelled="true"><mi>H</mi><mi>м</mi></mfrac></mrow>
<mrow><mi>K</mi><mo>=</mo><mn>5</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>6</mn></msup><mfrac bevelled="true"><mi>H</mi><mi>м</mi></mfrac></mrow>
до
<mrow><mi>ν</mi><mo>=</mo><mn>45</mn><mi>Г</mi><mi>ц</mi></mrow>
должен совершать колебания с частотой .
Таким образом, предлагаемая конструкция сушилки, в которой вынужденные колебания, создаваемые пульсатором 4, создают резонансный режим колебаний корпуса 10 сушилки, установленного на виброопорах 5 с коническими пружинами 8 переменной жесткости, повышает тепло- и массообмен между высушиваемым материалом и сушильным агентом, что в свою очередь повышает производительность.