Исследование процессов сушки диспергированных материалов с применением акустических форсунок

7. Сажин, Б.С. Научные основы техники сушки/ Б.С.Сажин, В.Б.Сажин.- М.: Наука, 1997.- 447 с.

8. Sazhin, B.S. Scientific Principles of Drying Technology/ B.S.Sazhin, V.B.Sazhin.- New York-Connecticut-Walingford (U K): Begell Hause Inc., 2007.- 506 p.

9. Гребенников, С.Ф. Сорбционные свойства химических волокон и полимеров/ С.Ф.Гребенников, Л.Т. Кынин // Прикладная химия, 1982.- т.55.- № 10, С. 2299-2303.

10. Van Krevelen, D.V. Property of polymers.- Amsterdam: Elsevier, 1977.- 464 p.

11. Ravens, D.A. Chemical reactivity of poly(ethyleneterephtalate). Hydrolysis and etherifica-tion reactions in the solid phase/ D.A.Ravens, J.M. Ward // Trance Faraday Soc., 1961.-V.57.- № 2.- P. 150-159.

12. Иорданский, А.Л. Различия диффузии воды в полимерах природного - «грин» и синтетического - «петро» - происхождения/ А.Л.Иорданский, Г.А.Банарцева, В.М. Мышкина //Сборник докладов IX Международной конференции «Деструкция и стабилизация полимеров».- М., 2001.- С. 71-72.

13. Вода в полимерах/ Под ред. С.Роуленда. - М.: Мир, 1984.- 555 с.

14. Геллер, Ю.А. Исследование и разработка инженерного метода расчета процесса сушки гранулированного полиэтилентерефталата / Дисс...канд. техн. наук.- М.: МГТУ им. А Н. Косыгина, 2002.- 145 с.

15. Launay, A. Water sorption in amorphous poly (ethylene terphtalate)/ A.Launay, F.Thominette, J. Verdu // J. Appl. Polym. Sci.- 1999.- V. 73.- P. 1131-1137.

УДК 66.047

Б.С. Сажин, О.С. Кочетов, В.Б. Сажин, А.В. Костылева, М.А. Апарушкина, Е.О. Боброва

Московский государственный текстильный университет им. А.Н.Косыгина, Москва, Россия Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СУШКИ ДИСПЕРГИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ АКУСТИЧЕСКИХ ФОРСУНОК

One of the important ways of an intensification of processes of drying of materials of dispersion is application of acoustic fields in modes of operation dusting and dust removal devices. In work the mode of operation dusting a dryer working by a principle of a parallel current of movement of a solution and the heat-carrier is considered. As the heat-carrier air which is heated up in a gas heater is used, and in quality dusting devices the acoustic vortical atomizer is used. As the first step of clearing of air from a dust of a product the cyclones placed in struts, and connected by means of the sound channel with a sound column are used, and as the second step of clearing of air is used the filter sleeving. Frequency of acoustic waves of a sound column 12 lays in an optimum range of frequencies from 15 up to 16 rGz with intensity of a sound from 2 up to 3 Vt/sek, thus duration of processing is carried out by a radiator of a sound in a time interval from 2 about 5 minutes.

Одним из важных путей интенсификации процессов сушки диспергированных материалов является применение акустических полей в режимах работы распыливающих и пылеулавливающих устройств. В работе рассмотрен режим работы распылительной сушилки, работающей по принципу параллельного тока движения раствора и теплоносителя. В качестве теплоносителя используется воздух, нагреваемый в газовом калорифере, а в качестве распыливающего устройства используется акустическая вихревая форсунка. В качестве первой ступени очистки воздуха от пыли продукта используются циклоны, размещенные в стояках, и соединенные посредством звукового канала со звуковой колонной, а в качестве второй ступени очистки воздуха используется рукавный фильтр. Частота акустических волн звуковой колонны 12 лежит в

оптимальном диапазоне частот от 15 до 16 кГц с интенсивностью звука от 2 до 3 Вт/сек, при этом продолжительность обработки излучателем звука осуществляется во временном интервале от 2 до 5 минут.

Исследуем режим работы распылительной сушилки, работающей по принципу параллельного тока движения раствора и теплоносителя, схема которой представлена на рис.1. В качестве теплоносителя используется воздух, нагреваемый в газовом калорифере, а в качестве распыливающего устройства используется акустическая вихревая форсунка, схема которой приведена на рис.2. В качестве первой ступени очистки воздуха от пыли продукта используются циклоны, размещенные в стояках, и соединенные посредством звукового канала со звуковой колонной, а в качестве второй ступени очистки воздуха используется рукавный фильтр.

Рассмотрим следующие технические условия на протекание процесса распылительной сушки: - максимально допустимая температура нагрева в процессе сушки исходного раствора - 110 °С; - часовая производительность по сухому продукту G1=400 кг/час; - начальная и конечная влажность раствора и продукта w1 = 64,3 % и w2 =5 %; -начальная температура воздуха перед сушилкой ^ = 300 °С, температура воздуха за сушилкой ^ = 300 °С;

Для сушки используется наружный воздух с параметрами:

^ =-10 °С ; do =1,47 г/кг; ф = 80%; Ь = 1,53 ккал/кг.

Для распыления раствора используем акустическую форсунку, представленную на рис.2. Геометрические размеры форсунки рассчитываем исходя из коэффициента расхода равного ц =0,6 и давления р =100 атм. Тогда диаметр выходного сечения форсунки будет равен

50 = V / (0,785 ц V (2ё А p/ р p ))) =

_

V(2,4•10-4/(0,785•0,6V(2•9,81•99•104/1100))) = 1,95-10-3 = 1,95 мм,

где^ - количество распыливаемого раствора в м3/сек; р р - удельный вес раствора, равный 1100 кГ/м.

Согласно экспериментальным данным [1] максимальный диаметр факела распыла составляет 3,5 м. Принимаем диаметр сушильной камеры равным Б^=3,5 м.

Средняя скорость воздуха в камере

и = 4(у'о +у"о)Ь/(3600-2- лБ\) = 4(1,65 + 1,19)8050/(3600-2-3,14-3,52) ~ 0,3 м/сек,

что удовлетворяет основным требованиям работы сушилки.

Акустическая форсунка содержит корпус 1 с размещенным внутри генератором звуковых колебаний ультразвукового частотного диапазона в виде сопла 3 и кольцевого объемного резонатора 5. Корпус 1 выполнен в виде вертикально расположенной цилиндрической втулки, в верхней части которой расположена трубка 7 для подвода воздуха, а перпендикулярно ее оси расположена трубка 8 для подвода жидкости. Внутри корпуса 1, соосно ему, жестко закреплена втулка 14 с фланцами верхним 2 и нижним 6, причем нижний фланец 6 жестко зафиксирован в проточке, выполненной в корпусе 1.

Внутри втулки 2, соосно ей, расположен кольцевой объемный резонатор 5, выполненный в виде чашки 9 с конической поверхностью 11. Чашка 9 запрессована на стержне диаметром d резонатора 5, а в его хвостовой части 4 расположены фиксирующие диски 12 и 13, выполненные в виде упругих лепестков, взаимодействующих с внутренней поверхностью втулки 14. В нижнем фланце 6 расположено по крайней ме-

ре одно сопло 10 под углом к оси резонатора 5, величина которого лежит в следующем интервале величин: 20°^40°, причем продолжение оси сопла 10 лежит на окружности, находящейся в средней части конической поверхностью 11. На внутренней поверхности втулки 14 выполнены соосные коническое 15 и цилиндрическое 16 отверстия.

Рис. 1. Схема распылительной сушилки, работающей по принципу параллельного тока движения раствора и теплоносителя: 1-сушильная камера, 2-система воздуховодов для подачи теплоносителя, 3-распыливающее акустическое устройство, 4-корпус сушильной установки, 5-стояки для размещения системы улавливания высушенного продукта, 6-циклон, 7-скребковое устройство, 8-приемный короб для готового продукта, 9-привод скребкового устройства, 10,16,17-бункер для сбора готового продукта, 11-емкость для исходного раствора, 12-звуковая колонна, 13-звуковой канал, соединяющий выход звуковой колонны с общим входом циклонов, 14-рукавный фильтр, 15-коллектор, соединяющий общий выход циклонов со входом рукавного фильтра, 18-смеситель исходного раствора с уловленным продуктом.

Для оптимальной работы форсунки должны соблюдаться следующие соотношения ее параметров: - отношение высоты И кольцевого объемного резонатора 5 к расстоянию И между верхним основанием конической поверхности 11 и нижней торцевой поверхностью корпуса 1, лежит в оптимальном интервале величин: И1/ И = 1^3; - отношение внутреннего диаметра ё1 чашки 9 резонатора 5 к диаметру ё2 его внешней цилиндрической поверхности, лежит в оптимальном интервале величин: ё1/ ё2 = 0,7^0,9; -отношение внутреннего диаметра ё1 чашки 9 резонатора 5 к диаметру ё его стержня, лежит в оптимальном интервале величин: ё1/ ё = 1^3; - отношение внутреннего диаметра ё1 чашки 9 резонатора 5 к высоте И1 кольцевого объемного резонатора 5, лежит в оптимальном интервале величин: ё1/ И1 = 1^2.

Акустическая форсунка работает следующим образом. Распыливающий агент, например воздух, подается по трубке 7, где встречает на своем пути кольцевой объемный резонатор 5. В результате прохождения резонатора 5 распыливающим агентом (например воздухом) в последнем возникают пульсации давления, создающие акустические колебания, частота которых зависит от параметров резонатора. Акустические колебания распыливающего агента способствуют более тонкому распыливанию жидкости, подаваемой через трубку 8 в сопла 10, откуда она попадает на окружность, находящуюся в средней части конической поверхностью 11 резонатора 5, затем дробится под воздействием акустических колебаний воздуха на мелкие капли, в результате чего образуется факел распыленного раствора с воздухом, корневой угол которого определяется величиной угла наклона конической поверхности 11 резонатора 5.

Рис. 2. Схема акустической форсунки (пояснения в тексте).

При этом частота акустических волн, излучаемых резонатором лежит в оптимальном диапазоне частот от 15 до 16 кГц с интенсивностью звука от 2 до 3 Вт/сек.

На рис. 3 представлены расчетная схема резонансной акустической системы, состоящей из резонаторов и ее динамические характеристики, отвечающие требованиям резонансных излучателей акустической форсунки, причем каждая из схем включает в себя резонансные отражатели, настроенные на определенный частотный диапазон [14].

Физический эффект работы таких систем основан на том, что при резонансном совпадении собственной и возбуждающей частот амплитуда скорости колебания воздуха в горле резонатора, которым являются отверстия в перфорированной вставке, резко возрастает, вызывая значительное возрастание мощности падающей звуковой волны (эффект резонатора Гельмгольца) [15].

Максимальное увеличение энергии для одиночного резонатора будет наблюдаться на резонансной частоте :

/р = 0,5с

где кр - проводимость отверстий ,соединяющих трубопровод с резонаторной камерой

о

объемом Vр (м );

к =

Р /{1отв + ) '

где п - количество отверстий во вставке; So - площадь одного отверстия диаметром ёо ,м ; /отв - глубина отверстия, м.

70

Л; I 3

-

о . . I ¡«тйтс/гет лг \ (Г/ГГ7& -1 А

/"¿с

Рис. 3. Расчетная схема резонансной акустической системы: а - система из двух резонаторов Гельмгольца, б - ее динамические характеристики.

0.275 0.16511 В"'0.055 ,,.,„

П.Г......

,5 р-0.055 Р'-0.055| №.495 №495/" Ш85М-0.385

10.385' 10.275 10.165 10.055

у/п

//|-0;385М4385М.а385[^-0:Зй1М „ ,

X, м

Рис. 4. Вихревые структуры при движении газа в акустическом поле.

Задаваясь величиной объема Vр резонаторной полости, а также резонансной частотой , Гц, определяем проводимость отверстий :

и их количество

п

кр = 4Урп2/ро "2,

= кр (¡отв + 0,8^)/^ . Эффективность снижения уровня шума данного глушителя:

АЬ = 101е|1 /2^)/(/ //р -/р //)]2},

где F - площадь поперечного сечения трубопровода, м2; f f р - соответственно возбуждающая и собственная частоты резонатора.

На рис. 4 представлена иллюстрация вихревых структур при движении газа в акустическом поле, инициируемым в циклонах, соединенных посредством звукового канала со звуковой колонной, частота акустических волн звуковой которой лежит в оптимальном диапазоне частот от 15 до 16 кГц с интенсивностью звука от 2 до 3 Вт/сек, при этом продолжительность обработки излучателем звука осуществляется во временном интервале от 2 до 5 минут.

Выводы. В работе исследован режим работы распылительной сушилки, работающей по принципу параллельного тока движения раствора и теплоносителя, причем в качестве распыливающего устройства используется акустическая вихревая форсунка.

Список литературы

1. Сажин, Б.С. Основы техники сушки/ Б.С.Сажин. -М.: Химия,1984. - 320 с.

2. Голубев, Л.Г. Сушка в химико-фармацевтической промышленности/ Л.Г.Голубев, Б.С.Сажин, Е.Р.Валашек.- М.: Медицина, 1978. - 272 с.

3. Лыков, М.В. Сушка распылением/ М.В.Лыков.- М.: Пищепромиздат, 1955.

4. Лыков, М.В. Распылительные сушилки/ М.В.Лыков, Б.И.Леончик.- М.: Машиностроение, 1966.

5. Гинзбург, А.С. Расчет и проектирование сушильных установок пищевой промышленности/ А.С.Гинзбург.- М.: Агропромиздат, 1985.

6. Пажи, Д.Г. Распыливающие устройства в химической промышленности/ Д.Г.Пажи,

A.А.Корягин, Э.Л.Ламм. - М.: Химия, 1975. - 200 с.

7. Пажи, Д.Г. Распылители жидкостей/ Д.Г. Пажи, В.С.Галустов.- М.: Химия, 1979. - 216 с.

8. Источники мощного звука / Л.Д.Розенберг, ред.- М.: Наука,1967. - 420 с.

9. Мерч Н. //Механика, 1965.- № 2.- С. 90.

10. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. - 480 с.

11. Дитякин, Ю.Ф./ Ю.Ф.Дитякин, В.И.Ягодкин //Труды ЦИАМ им. П. И. Баранова, № 585.- 1973.- С. 20.

12. Рудаков, Я.Д./ Я.Д.Рудаков, З.И. Генчер и др.//Теплоэнергетика.- 1972, № 10.- С. 81.

13. Физические основы ультразвуковой технологии // Л.Д.Розенберг, ред.- М.: Наука, 1970. - 168 с.

14. Борьба с шумом на производстве: Справочник / Е.Я. Юдин, ред. - М.: Машиностроение, 1985. - 400 с.

15. Кочетов, О.С. Снижение шума и вибраций в производстве: теория, расчет, технические решения/ О.С.Кочетов, Б.С.Сажин.- М.: МГТУ.- 2001.- 319 с.

16. Швыдкий, B.C. Теоретические основы очистки газов: учебник для вузов/ B.C. Швыдкий, М.Г. Ладыгичев, Д.В. Швыдкий. - М.: Машиностроение-1, 2001.- 502 с.

17. Белоусов, В.В. Теоретические основы процессов газоочистки/ В.В.Белоусов. - М.: Металлургия, 1988. - 256 с.

18. Грин X. Аэрозоли - пыли, дымы и туманы/ Х.Грин, В.Лейн. - М.: Химия, 1969. - 428 с.

19. Лукин, В.Д. Очистка вентиляционных выбросов в химической промышленности/

B.Д.Лукин, М.И.Курочкина. - Л.: Химия, 1980. - 232 с.

20. Райст, П. Аэрозоли. Введение в теорию/ П. Райст. - М.: Мир, 1987. - 280 с.

21. Теверовский, Е.Н. Перенос аэрозольных частиц турбулентными оттоками/ Е.Н.Теверовский, Е.С.Дмитриев. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 160 с.

22. Ужов, В.Н. Очистка промышленных газов от пыли/ В.Н.Ужов, А.Ю.Вальдберг, Б.И.Мягков, И.К.Решидов. - М.: Химия, 1981. - 392 с.