ОПТИМИЗАЦИЯ ФОРМЫ НАСАДКИ БАРАБАННЫХ СУШИЛОК

АННОТАЦИЯ

Распределение сырья в поперечном сечении барабана существенно влияет на производительность барабанных сушилок. В исследовании, проведенном в этой статье, оптимизация распределения частиц в активной области барабана преследовалась путем изменения геометрической формы насадок, принимая во внимание при этом влияние технологических параметров работы, таких как скорость вращения и степень заполнения барабана. Скорость вращения барабана сильно влияет на эффективность прямоугольных трехсекционных насадок, особенно при высокой степени заполнения (16%), при этом масса сырья, подвергаемых сушке, увеличивается при увеличении скорости вращения барабана с 7 до 10 об/мин.

ABSTRACT

The distribution of raw materials in the cross section of the drum significantly affects the performance of drum dryers. In the study carried out in this article, the optimization of particle distribution in the active area of the drum was pursued by changing the geometric shape of the nozzles, while taking into account the influence of technological parameters of operation, such as the speed of rotation and the degree of filling of the drum. The speed of rotation of the drum strongly affects the efficiency of rectangular three-section nozzles, especially at a high degree of filling (16%), while the mass of raw materials subjected to drying increases with an increase in the speed of rotation of the drum from 7 to 10 rpm.

Ключевые слова: барабанная сушилка, L-образныя насадка, крюкообразныя насадка, чашеобразныя насадка, прямоугольная трехсекционная насадка.

Keywords: drum dryer, L-shaped nozzle, hook-shaped nozzle, cup-shaped nozzle, rectangular three-section nozzle.

Введение

Для получения цемента по сухому способу производства хорошего качества важным процессом является полная сушка сырьевых компонентов, осуществляемая с помощью барабанных сушилок, содержащих барабан с углом наклона 3% к горизонту, который вращается с определенной скоростью. Барабан вращается на подшипниках и оснащен насадками различных форм и размеров. Нами исследован процесс сушки сырьевого компонента – суглинка, в технологической линии по производству цемента в ООО “Турон-экоцемент групп”.

В нашем случае, противоточной барабанной сушилки тепло, используемое для сушки сырья, поступает от горячего газа, подаваемого горелкой [1].

Процесс сушки сырья сопряжен со значительными энергозатратами, а также негативным воздействием на окружающую среду, вследствие малых размеров суглинка. Для того, чтобы уменьшить учитывая потребление энергии и количество уносимой пыли, необходимо повысить эффективность сушки в барабане путем оптимизации конструкции сушилок. Очень важно найти конструктивные методы, позволяющие сделать процесс сушки более эффективным. Производительность барабанных сушилок с воздушным охлаждением в основном определяется эффективностью контакта между частицами и горячим газом [2].

Оптимальная загрузка сушильного барабана и создание максимальной плотной завесы из сырья таким образом, чтобы площадь поперечного сечения барабана, занимаемая каскадом частиц, являлся как можно более плотным. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что влияние на производительность барабанных сушилок оказывает форма насадки, которая должна быть выбрана в соответствии с характеристиками высушиваемого материала [3].

Поэтому при сушке волокнистых или когезионных частиц рекомендуются или используются прямые насадки, поскольку увеличивается скорость перемешивания. Для свободно падающих материалов могут использоваться различные другие формы насадок, такие как полукруглые, прямоугольные, угловые и т.д.. Нами для оптимизации сушки суглинка в ООО “Турон-экоцемент групп”, было рекомендовано трехсекционные прямоугольные насадки обеспечивают рассеивание большого количества частиц в потоке горячего газа. Визуальное наблюдение рассеивания тонкодисперсных частиц по поперечному сечению барабана невозможно вследствие образования облако пыли внутри барабана. Поэтому нами произведено численное моделирование программой МАТLAB.

Анализируя научную литературу, было отмечено, что проведено не так много исследований по влиянию геометрии полета на степень диспергирования частиц тонкодисперсного материала. Целью настоящего исследования, основанное на численном анализе являлось определение оптимальной конфигурации барабанных насадок с учетом свойств сырья с точки зрения эффективности сушки. Практически, для получения максимально возможной эффективности процесса сушки, количественно определяемой с помощью степень дисперсности частиц в активной зоне поперечного сечения барабана. Мы использовали метод, основанный на анализе изображений, чтобы оценить процент площади, занимаемой частицами в активной области барабана.

Основная часть

Анализ проводился для реального сушильного барабана в ООО “Турон-экоцемент групп” со следующими габаритными характеристиками: внутренний диаметр Di = 2200 мм, толщина стенки t = 15 мм, длина L = 20000 мм, с равномерно распределенными по внутренней поверхности насадками, как показано на рисунке 1. Для анализа и сравнения рассматриваются различные формы насадок представленные на рисунке 2.

Рисунок 1. Фото сушильного барабана:

а- сушильный барабан, б- насадки барабана

Были проведены параметрические исследования, соответствующие различным степеням заполнения барабана (8%, 12% и 16%) и различным скоростям вращения барабана (4 об/мин, 7 об/мин и 10 об/мин). Указанные параметры были выбраны с учетом того, что многие исследования из научной литературы показали, что степень заполнения барабана и скорость вращения барабана оказывают большое влияние на работу барабанной сушилки.

Рисунок 2. Геометрические формы насадок выбранные для исследования:

а – L - образные насадки, б - крюкообразные насадки, в - чашеобразные насадки, г- прямоугольные трехсекционные насадки

Исследователи рекомендуют выбирать объем твердых частиц в интервале 10-15% от общего объема барабана, а также форму и количество насадок в соответствии с условиями работы сушилки для оптимальной работы барабана.

Были проведены параметрические исследования, соответствующие различным степеням заполнения барабана (8%, 12% и 16%) и различным скоростям вращения барабана (4 об/мин, 7 об/мин и 10 об/мин).

Были проведены параметрические исследования, соответствующие различным степеням заполнения барабана (8%, 12% и 16%) и различным скоростям вращения барабана (4 об/мин, 7 об/мин и 10 об/мин). Указанные параметры были выбраны с учетом того, что многие исследования из научной литературы показали, что степень заполнения барабана и скорость вращения барабана оказывают большое влияние на работу барабанной сушилки. Исследователи рекомендуют выбирать объем твердых частиц в интервале 10-15% от общего объема барабана, а также форму и количество насадок в соответствии с условиями работы сушилки для оптимальной работы барабана.

Степень заполнения частиц в активной зоне барабана определялась путем вычисления процентного соотношения (СЗП), представленного площадью, занимаемой частицами (ПЗЧ), от общей активной площади (ОАП):                                                 

                                                                     (1)

Учитывая, что первая выгрузка частиц материала из насадки начинается при положение насадки в 90⁰ (или в 9 часов), а последняя - в 300⁰ по направлению вращения (или в 4 часа), были рассчитаны проценты площади, занимаемой частицами (СЗП) для различных положений, соответствующих от 90⁰ до 300⁰ часов (с шагом в 30⁰). а результаты представлены в таблицах 1-3.

Таблица 1.

Процент площади, занимаемой частицами (СЗП %) при степени наполнения барабана 8%

Таблица 2.

Процент площади, занимаемой частицами (СЗП %) при степени наполнения барабана 12%

Таблица 3

Процент площади, занимаемой частицами (СЗП %) при степени наполнения барабана 16%

Результаты анализа таблиц 1–3 показывают, что процент площади, занимаемой частицами, сохраняется на уровне выше 10%:

• в случае аппаратов с насадкой типа L, в диапазоне 180⁰–270⁰ для степени заполнения 8% (за исключением скорости вращения барабана 10 об/мин) и в диапазоне 150⁰–300⁰ для степени заполнения 12% и 16%;
• в случае направляющих крюкообразного типа - в диапазоне 150⁰–240⁰ для степени заполнения 8% и в диапазоне 150⁰–270⁰ для степени заполнения 12% и 16% (за исключением степени заполнения 12% и скорости вращения барабана 10 об/мин);
• в случае чашеобразных насадок - в диапазоне от 180⁰ до 240⁰ для степени наполнения 8% и 150⁰–300⁰ для степени заполнения 12% и 16% (за исключением степени заполнения 12% и скорости вращения барабана 10 об/мин);
• в случае прямоугольных трехсекционных насадок с двойным углом наклона, в диапазоне 150⁰–240⁰ для степени заполнения 8% (за исключением 10 об/мин) и 120⁰–300⁰ для степени заполнения 12% и 16% (за исключением скорости вращения барабана 10 об/мин).

Однако, процентная доля площади, занимаемой частицами, имела колебательный характер во время вращения барабана для всех конфигураций насадок, что означает, что эффективность, обеспечиваемая определенным типом насадки, должна анализироваться в корреляции с важными параметрами, такими как степень заполнения барабана или скорость вращения барабана.

Для примера в рисунке 3 приведены режимы рассеивания частиц для четырех типов проанализированных рейсов в 180⁰, соответствующие положению максимальной разгрузки.

Анализируя изображения, представленные в рисунке 3, видно, что при степени заполнения 8% и скорости вращения 10 об/мин частицы концентрируются в боковой части барабана, что снижает эффективность сушки. При степени заполнения 12 % происходит равномерное распределение частиц в активной зоне барабана, кроме L-образных насадок.

Рисунок 3. Изображение режима диспергирования частиц при различной форме отверстий и степени заполнения барабана 8%

При степени заполнения 16 % в нижней части барабана появляется перегруженность, особенно при 8 об/мин, что также снижает эффективность сушки. Результаты для оптимальной загрузки барабанных сушилок из этой статьи находятся в диапазоне от 8% до 12%.

Прямоугольные трехсекционные насадки с двойным углом демонстрируют явно более высокие характеристики при высокой скорости вращения (10 об/мин).

Выводы

Настоящее исследование было сосредоточено на численном анализе, чтобы выявить влияние формы насадки на эффективность степени сушки сырья, оцениваемую путем определения площади, занимаемой дисперсными частицами в активной зоне барабана вращающейся сушилки.

Как правило, выгрузка частиц из лопастей начинается, когда кончик лопасти находится в положении 90⁰, и заканчивается примерно в положении 300⁰.

Анализируя полученные значения, было установлено, что, независимо от формы насадки, максимальный КПД достигается при частоте вращения барабана 10 об/мин, соответственно степени заполнения 16%.

На большом количестве полученных данных показано, что форма насадки существенно влияет на степень диспергирования частиц внутри барабана.

Форма насадки играет важную роль во времени удержания частиц на периферийной поверхности барабана и, следовательно, должна быть соотнесена со скоростью вращения для определения оптимального решения в отношении дисперсии частиц. Форму насадки следует выбирать также с учетом степени заполнения барабана по тем же причинам, что и в отношении удержания частиц на насадке.

Для получения высокой стабильности величин, представляющих объем заполнителя, подвергаемого сушке, за полный оборот барабана для широкого диапазона степеней наполнения и скоростей вращения наиболее целесообразны скребки крюкового типа. При этом КПД высокий, как у прямоугольных трехсекционных насадок.

Несмотря на то, что прямоугольные трехсекционные скребки показывают в среднем наилучшие характеристики с точки зрения подвергания частиц сушке, их характеристики по-прежнему представляют собой широкий диапазон по технологическим параметрам: скорости вращения и степени наполнения.

Список литературы:

1. Тожиев Р. Ж. и др. Анализ процесса сушки минеральных удобрений в барабанном аппарате //Universum: технические науки. – 2021. – №. 8-1 (89). – С. 31-36.
2. Тожиев Р. Ж. и др. Оптимизация конструкции сушильного барабана на основе системного анализа процесса //Universum: технические науки. – 2020. – №. 11-1 (80). – С. 59-65.
3. Silveira, J.; Lima, R.; Brandao, R.; Duarte, C.; Barrozo, M. A Study of the design and arrangement of flights in a rotary drum. Powder Technol. 2022, 395, 195–206.
4. Lisboa, M.H.; Vitorino, D.S.; Delaiba, W.B.; Finzer, J.; Barrozo, M.A. Study of particle motion in rotary dryer. Braz. Chem. Eng. 2007, 24, 365–374.
5. Ахунбаев А. А. Гидродинамическая модель движения в барабанном аппарате с учетом влияния продольного перемешивания //Universum: технические науки. – 2021. – №. 9-1 (90). – С. 34-38.
6. Тетерина О. А., Костенко Н. А. Совершенствование машин для внесения минеральных удобрений //Юность и Знания-Гарантия Успеха-2017. – 2017. – С. 202-205.
7. Кочергин С. А. Повышение эффективности производства сложных минеральных удобрений путем оптимизации процессов гранулирования и сушки: дис. – Процессы и аппараты химических технологий. – Иваново, 2008.
8. Ерошкин А. Д., Андреев К. П. Использование экспериментальной машины для внесения минеральных удобрений //молодежь и наука: шаг к успеху. – 2018. – С. 322-325.
9. Лазин П. С., Щербаков С. Ю. Применение барабанных сушильных установок для интенсификации процесса сушки плодо-ягодной продукции // инновационные технологии и технические средства для АПК. – 2016. – С. 115-119.
10. Каминский В. Д., Тастанбеков С. Т. Оптимизация процесса сушки зерна и отходов в паровых сушилках //Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. – 1992. – №. 5-6. – С. 62-64.