Интенсивность теплообмена в вихревой сушилке

АННОТАЦИЯ

В статье приведены принцип работы сушилки с закрученным псевдоожиженным слоем зернистого материала и результаты экспериментальных исследований процесса теплообмена в ней. Установлено, что использование гидродинамического эффекта центробежной силы позволяет существенно интенсифицировать теплоперенос от сушильного агента к частицам материала, благодаря возникающих относительных скоростей фаз, которые позволяют увеличить движущую силу процесса, а также увеличения интенсивности движения частиц, что, соответственно интенсифицирует теплообмен.

ABSTRACT

The article describes the principle of operation of a swirling fluidized bed dryer of granular material and the results of experimental studies of the heat transfer process in it. It was found that the use of the hydrodynamic effect of centrifugal force makes it possible to significantly intensify the heat transfer from the drying agent to the particles of the material, due to the arising relative velocities of the phases, which make it possible to increase the driving force of the process, as well as to increase the intensity of movement of particles, which, accordingly, intensifies heat transfer.

Ключевые слова. Сушка, интенсификация, псевдоожиженный слой, сушильная установка, теплообмен, воздух, силикагель.

Keywords: Keywords. Drying, intensification, fluidized bed, drying plant, heat exchange, air, silicagel.

Эффективность процесса сушки в основном определяется конструкцией аппарата, в котором осуществляется процесс. Поэтому важно использовать наиболее рациональные конструкции сушилок. Одним из наиболее перспективных видов сушилок являются сушилки с псевдоожиженным слоем зернистого материала. Кипящий слой характеризуется постоянством температуры по высоте и сечению, даже если в нем протекают процессы с большим тепловым эффектом, а также высокими значениями коэффициента теплообмена. Аппараты с кипящим слоем широко применяются в промышленности благодаря простоте устройства, интенсивности тепломассообмена, легкости автоматизации, относительно небольшому гидравлическому сопротивлению слоя (независимо от скорости сжижающего агента).

Однако, сушилки (аппараты) псевдоожиженного слоя имеют ряд недостатков: трудность создания равномерного псевдоожижения по всей площади решетки; наличие застойных зон, приводящие к перегреву материала и соответственно, ухудшению его качества; малое время пребывания дисперсного материала в сушилке; значительный унос высушенного продукта, для улавливания которого приходиться применять дорогие и громоздкие оборудования.

Одним из методов интенсификации работы сушилок с кипящим слоем зернистых материалов является закрутка потока сушильного агента. Закрученный поток можно создать путем установки тангенциальных газоходов, спиральных и лопастных завихрителей и др. Преимущество закрученного потока теплоносителя по сравнению с осевым потоком заключается в том, что он позволяет в несколько раз увеличить среднюю относительную скорость движения фаз и повысить концентрацию твердого материала в аппарате. Частицы твердого материала, движущиеся в аппарате, постоянно соударяются со стенкой, благодаря чему средняя скорость их движения невелика (несколько метров в секунду), а относительная скорость движения газа и материала достигает высоких значений и близка к скорости газа. Высокая относительная скорость фаз обусловливает интенсивное протекание процессов тепло- и массообмена, а повышенная концентрация твердой фазы - большую поверхность контакта фаз, приходящуюся на единицу объема аппарата. Средняя продолжительность пребывания материала в аппаратах с закрученным потоком выше, чем в сушилках с осевым потоком сушильного агента. Это обстоятельство в сочетании с высокой интенсивностью процесса позволяет обезвоживать материалы со значительным количеством связанной влаги.

Разработана простая конструкция сушильной установки с центробежным взвешенным слоем для сушки разнообразных сыпучих продуктов. Для избежания образования застойных зон в аппарате и интенсификации сушильного процесса газораспределительная решетка заменена тангенциальными патрубками для создания вихревого слоя. Подаваемый нагретый сушильный агент, выходя из тангенциального патрубка с большой скоростью, подхватывает высушиваемый материал, находящийся в сушилке, сообщая ему вращательное движение. При таком распределении теплоносителя удалось полностью устранить образование застойных зон, что особенно важно при сушке термолабильных продуктов. Важным узлом данной сушилки является узел тангенциальной подачи сушильного агента, который в значительной мере определяет устойчивую работу сушильной установки. При конструировании вихревых аппаратов такого типа большие затруднения связаны с правильным выбором соотношений сечений тангенциальных щелей и аппарата, которые зависят от многих величин.

Переход твердых частиц в кипящее состояние происходит постепенно и характеризуется определенным интервалом скоростей подаваемого в нижнюю часть сушильной камеры нагретого теплоносителя, тангенциально. Кипящий слой частиц существует в определённом диапазоне скоростей подводимого теплоносителя. Знание этого диапазона необходимо для технологического сопровождения процесса сушки, для конструктивных расчетов сушильных аппаратов, а также для определения параметров пневмотранспортирования высушенного продукта. Неподвижный слой дисперсных частиц в сушильной камере переходит в кипящее состояние при некотором значении скорости начала псевдоожижения. Переход слоя зернистого материала в кипящее состояние в начальный момент сопровождается кипением мелких частиц и последующим их воздействием на крупные частицы. Замечено, что увеличение количества мелких частиц в продукте приводит к увеличению сопротивления слоя из-за снижения порозности и уменьшения скорости ожижения вследствие обмена количеством движения между частицами различного размера.

На описанной сушилке проведено экспериментальное исследование гидродинамики, теплообмена и процесса сушки силикагеля в центробежном псевдоожиженном слое. Данная установка представляет собой аппарат непрерывного действия с тангенциальным подводом сушильного агента. Основным элементом установки является вихревая сушилка, состоящий из нижней вихревой камеры, в которой осуществляется процесс сушки, и верхнего сепаратора, который служит для отделения сушильного агента от высушенного материала. Такая конструкция имеет незначительное сопротивление и позволяет обеспечивать как равномерное псевдоожижение дисперсного материала, так и его перемещение в вертикальной плоскости.

Сушильная установка работает следующим образом. Влажный материал из бункера через загрузочное устройство подается в нижнюю часть аппарата под действием потока сушильного агента, подаваемого тангенциально к корпусу аппарата подкручивается и вращательным движением поднимается вверх. При этом осуществляется процесс сушки. Из верхнего края вихревой трубы высушенный материал поступает в сепаратор и далее в разгрузочный патрубок и выгружается из установки. Подача сушильного агента в аппарат осуществляется через двух тангенциально газоподводящих патрубков, выброс в окружающую среду - через верхний газоотводящий патрубок.

В качестве сушильного агента в аппарате используется воздух, подаваемый в газовую камеру высоконапорным вентилятором. Воздух, поступающий в аппарат, подогревается в электрокалорифере, который установлен в канале воздуховода на нагнетательной стороне вентилятора. Температура сушильного агента регулируется изменением тока на электронагреватель автотрансформатором. Расход воздуха измеряется вихревым расходомером типа Prowirl. Гидравлическое сопротивление рабочей камеры измеряется с помощью дифференциального микроманометра. Для измерения температуры сушильного агента в различных точках аппарата установлены хромель-копелевые термопары в комплекте с потенциометром КСП-4. Температура частиц в слое фиксировалась при помощи термопары, помещенной в специальную «ловушку». В качестве дисперсного материала в экспериментах использовался силикагель плотностью 1560 кг/м³ и диаметрами 2,5; 3,6 и 4,8 мм. Первая серия экспериментов была посвящена исследованию межфазного теплообмена в центробежном псевдоожиженном слое. Их основной задачей являлась определение коэффициента межфазной теплоотдачи. Для этого исследовалась зависимость коэффициента теплоотдачи от скорости воздуха. Отдельные результаты этой серии экспериментов приведены в данной работе.

Результаты экспериментов показали, что закрутка дисперсного материала позволяет увеличить интенсивность межфазного теплообмена в 2-5 раза по сравнению с обычным осевым псевдоожижением. Рост коэффициента теплоотдачи в аппарате с центробежным псевдоожиженным слоем по сравнению с аппаратом осевым кипящим слоем, обусловлена тем, что закрученная струя газа создает более интенсивное перемешивание, в результате чего обеспечивается интенсивное циркуляционное движение частиц  и соответственно интенсивный теплообмен. Кроме того, возникающие относительные скорости фаз интенсифицируют теплообмен, увеличивая движущую силу процесса.

Список литературы:

1. Надеев А.А. Гидродинамика и тепломассообмен в сушильной установке с центробежным псевдоожиженным слоем.: Автореф. дисс. … канд.техн.наук. – Воронеж: Воронежский государственный технический университет. 2013. – 17 с.
2. Баранов А.Ю. Разработка и научное обеспечение способа сушки гречихи в аппарате с закрученным потоком теплоносителя.: Автореф. дисс. … канд.техн.наук. – Воронеж: Воронежский государственный университет инженерных технологий. 2014. – 20 с.