НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ВЫБОРА КОЛИЧЕСТВА ТРЁХЧАСТНЫХ УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫХ НАСАДОК В БАРАБАННОЙ СУШИЛКЕ

УДК: 66.047.57

АННОТАЦИЯ

Целью исследования является научное обоснование рационального количества трёхчастных усовершенствованных насадок в барабанной сушилке при сушке суперфосфата с учётом технологической эффективности и аэродинамических ограничений. В работе рассмотрены насадки, состоящие из трёх функциональных частей, обеспечивающих последовательный подъём материала, его перераспределение по сечению барабана и равномерное рассеивание в потоке горячего газа. Методология исследования основана на расчётном анализе трёх вариантов количества насадок — 24, 30 и 36 штук. Их влияние оценивалось по конечной влажности продукта, количеству испарённой влаги, аэродинамическому сопротивлению и общему расходу теплоты. Расчёты выполнены при температуре сушильного агента 100–140 °C, скорости газового потока 5–20 м/с и производительности материала 0,09–0,1 кг/с. Для комплексной оценки использованы 3D-зависимости W₂=f(N,T) и ΔP=f(N,T), позволяющие одновременно учитывать изменение влажности и потерь давления. Установлено, что увеличение количества трёхчастных насадок снижает конечную влажность и повышает интенсивность испарения влаги, однако сопровождается ростом аэродинамического сопротивления. Наиболее глубокая сушка достигается при 36 насадках, но по соотношению эффективности, потерь давления и энергозатрат рациональным вариантом является применение 30 насадок.

ABSTRACT

The purpose of this study is to provide a scientific justification for selecting the rational number of improved three-component flights in a drum dryer during the drying of superphosphate, taking into account both technological efficiency and aerodynamic limitations. The study considers flights consisting of three functional parts that provide sequential lifting of the material, redistribution across the drum cross-section, and uniform dispersion in the hot gas flow. The research methodology is based on a computational analysis of three design options with 24, 30, and 36 flights. Their influence was evaluated according to the final moisture content of the product, the amount of evaporated moisture, aerodynamic resistance, and total heat consumption. The calculations were carried out at drying-agent temperatures of 100–140 °C, gas flow velocities of 5–20 m/s, and material feed rates of 0.09–0.1 kg/s. For an integrated assessment, 3D dependencies W₂=f(N,T) and ΔP=f(N,T) were used, making it possible to simultaneously consider changes in moisture content and pressure losses. It was found that increasing the number of three-component flights reduces the final moisture content and intensifies moisture evaporation; however, it also increases aerodynamic resistance. The deepest drying is achieved with 36 flights, while the use of 30 flights is the most rational option in terms of the balance between drying efficiency, pressure losses, and energy consumption.

Ключевые слова: барабанная сушилка, суперфосфат, трёхчастная насадка, усовершенствованная насадка, конечная влажность, аэродинамическое сопротивление.

Keywords: drum dryer, superphosphate, three-component flight, improved flight, final moisture content, aerodynamic resistance.

Введение

В производстве минеральных удобрений процесс сушки является одним из важнейших технологических этапов, определяющих качество готового продукта. Для суперфосфата конечная влажность имеет особое значение, поскольку она влияет на прочность гранул, устойчивость при хранении, транспортабельность и склонность материала к слёживанию. При недостаточной сушке в продукте сохраняется избыточная влага, что ухудшает его эксплуатационные свойства и может привести к снижению товарного качества [1-3].

В барабанных сушилках интенсивность процесса определяется не только температурой сушильного агента и скоростью газового потока, но и конструкцией внутренних рабочих элементов. В данном исследовании использована трёхчастная усовершенствованная насадка, которая отличается от обычных подъёмных элементов тем, что выполняет не одну, а несколько последовательных функций. Первая часть насадки способствует захвату и подъёму влажного материала, вторая часть обеспечивает его перераспределение по сечению барабана, а третья часть способствует рассеиванию материала в потоке горячего газа. Благодаря этому увеличивается поверхность контакта между частицами суперфосфата и сушильным агентом, улучшаются условия тепло- и массообмена и ускоряется удаление влаги [4].

Однако увеличение количества таких насадок не всегда является однозначно положительным решением. С одной стороны, большее число трёхчастных насадок усиливает перемешивание материала и повышает эффективность сушки. С другой стороны, большое количество внутренних элементов усложняет движение газового потока, увеличивает местные сопротивления и приводит к росту аэродинамического сопротивления. Это, в свою очередь, влияет на мощность вентилятора, расход энергии и эксплуатационные затраты [5-7].

Поэтому выбор количества трёхчастных усовершенствованных насадок должен основываться не только на снижении конечной влажности, но и на комплексной оценке аэродинамического сопротивления и расхода теплоты [8-9]. В данной статье эта задача рассматривается на основе 3D-графического анализа зависимостей конечной влажности и аэродинамического сопротивления от количества насадок и температуры сушильного агента.

Научная новизна исследования заключается в том, что выбор количества трёхчастных усовершенствованных насадок в барабанной сушилке обоснован не только по показателю конечной влажности продукта, но и на основе совместного учёта аэродинамического сопротивления и общего расхода теплоты. В отличие от традиционного подхода, при котором эффективность насадок оценивается преимущественно по интенсивности перемешивания и снижению влажности, в данной работе предложена комплексная оценка вариантов 24, 30 и 36 насадок с использованием 3D-зависимостей W₂=f(N,T) и ΔP=f(N,T). Это позволило установить рациональный конструктивный диапазон количества насадок и показать, что максимальное количество насадок не всегда является энергетически целесообразным решением.

Методика исследования

Исследование выполнено на основе расчётных данных процесса сушки суперфосфата в барабанной сушилке. Основные геометрические параметры сушилки были приняты постоянными: диаметр барабана D = 0,3 м, длина барабана L = 2 м, частота вращения n = 12 об/мин, конструктивный коэффициент α = 0,25. Начальная влажность материала принималась равной W₀ = 20 %.

В качестве основного конструктивного фактора рассматривалось количество трёхчастных усовершенствованных насадок. Анализ проведён для трёх вариантов: 24, 30 и 36 штук. Температура сушильного агента изменялась в пределах 100, 120 и 140 °C, скорость газа - 5, 10, 15 и 20 м/с, производительность материала - 0,09; 0,095 и 0,1 кг/с.

Трёхчастная насадка рассматривалась как рабочий элемент, обеспечивающий подъём, перераспределение и равномерное рассеивание материала в потоке горячего газа. Это позволяет увеличить площадь контакта материала с сушильным агентом.

Для оценки эффективности процесса использовались следующие показатели:

W₂ - конечная влажность продукта, %;

G_исп - количество испарённой влаги, кг/с;

ΔP - аэродинамическое сопротивление, Па;

q_общ - общий расход теплоты, кДж/кг испарённой влаги.

Для научного обоснования выбора количества насадок были использованы две основные 3D-зависимости:

Рисунок 1. Комплексное влияние количества трёхчастных насадок и температуры сушильного агента на конечную влажность, W₂ = f(N, T).

Рисунок 2. Комплексное влияние количества трёхчастных насадок и температуры сушильного агента на аэродинамическое сопротивление, ΔP = f(N, T).

Основной графический анализ выполнен для режима v = 20 м/с и G = 0,095 кг/с, поскольку этот режим позволяет достаточно наглядно показать влияние количества насадок на процесс сушки. Остальные режимы использованы для сравнительного анализа и обобщения полученных закономерностей.

Результаты и обсуждение

Выбор количества трёхчастных усовершенствованных насадок прежде всего связан с их влиянием на конечную влажность продукта. Главная технологическая задача сушки заключается в снижении влажности суперфосфата до уровня, обеспечивающего его устойчивое хранение и сохранение качества. Поэтому на первом этапе была рассмотрена зависимость конечной влажности от количества насадок и температуры сушильного агента.

Рисунок 1. Комплексное влияние количества трёхчастных насадок и температуры сушильного агента на конечную влажность, W₂ = f(N,T).

3D-поверхность на рисунке 1 показывает, что при увеличении количества трёхчастных насадок и повышении температуры сушильного агента конечная влажность суперфосфата снижается. Это объясняется тем, что усовершенствованная насадка обеспечивает более активное движение материала внутри барабана. Благодаря трём функциональным частям материал сначала поднимается, затем перераспределяется и после этого более равномерно рассеивается в потоке горячего газа. Такое движение повышает интенсивность тепло- и массообмена.

При G = 0,095 кг/с и v = 20 м/с увеличение температуры с 100 до 140 °C и количества насадок с 24 до 36 закономерно снижает конечную влажность суперфосфата. При 100 °C значения W₂ составили 6,878; 5,941 и 5,094 % для 24, 30 и 36 насадок соответственно. При 120 °C они снизились до 5,541; 4,703 и 3,786 %, а при 140 °C — до 4,874; 4,048 и 3,266 %. Следовательно, сочетание 36 насадок и температуры 140 °C обеспечивает наиболее глубокую сушку, однако этот режим требует оценки аэродинамического сопротивления.

Сравнение полученных значений показывает, что переход от 24 к 30 насадкам обеспечивает значительное снижение влажности при умеренном росте сопротивления. Переход от 30 к 36 насадкам также снижает влажность, но этот дополнительный эффект сопровождается более заметным увеличением аэродинамического сопротивления. Поэтому при выборе количества насадок необходимо оценивать не абсолютное минимальное значение влажности, а соотношение между снижением влажности и ростом энергетических затрат.

Вторым важным критерием является аэродинамическое сопротивление. Увеличение числа трёхчастных насадок изменяет структуру газового потока внутри барабана. Насадки занимают часть внутреннего пространства, создают дополнительные зоны турбулентности и местные сопротивления. Поэтому при увеличении их количества давление в системе возрастает.

Рисунок 2. Комплексное влияние количества трёхчастных насадок и температуры сушильного агента на аэродинамическое сопротивление, ΔP = f(N, T).

Рисунок 2 показывает, что увеличение количества насадок и температуры сушильного агента приводит к росту аэродинамического сопротивления. При G = 0,095 кг/с и v = 20 м/с значения ΔP для 24, 30 и 36 насадок составили соответственно 898,397; 995,452 и 1179,854 Па при 100 °C, 980,536; 1104,903 и 1285,934 Па при 120 °C, а также 1071,568; 1209,874 и 1411,196 Па при 140 °C. Таким образом, режим N = 36 и T = 140 °C обеспечивает минимальную влажность, но формирует максимальное сопротивление.

Сравнение рисунков 1 и 2 показывает важную закономерность. Область N = 36 и T = 140 °C обеспечивает минимальную конечную влажность, но одновременно характеризуется максимальным аэродинамическим сопротивлением. Это означает, что технологическая эффективность и аэродинамико-энергетические ограничения изменяются в противоположных направлениях. Следовательно, выбор количества насадок должен выполняться как оптимизационная задача.

Сравнительный анализ с результатами зарубежных исследований показывает, что полученные закономерности согласуются с общими представлениями о влиянии внутренних рабочих элементов на процесс сушки в барабанных сушилках. В работах T.A.G. Langrish, S.E. Papadakis и C.G.J. Baker показано, что конструкция внутренних элементов и характер движения материала существенно влияют на время пребывания частиц и интенсивность тепло- и массообмена в каскадных барабанных сушилках [10]. C. Gu и соавт. также отмечают, что изменение условий перемещения частиц в барабане влияет на среднее время пребывания материала и, следовательно, на эффективность сушки [11]. Результаты N. Malekjani и соавт. подтверждают, что при проектировании барабанных сушилок необходимо учитывать не только тепловой режим, но и конструктивные особенности аппарата, определяющие распределение материала в рабочем объёме [12]. В работе I. Hamawand и T. Yusaf подчёркивается, что движение частиц в каскадном барабане связано с аэродинамическими условиями и режимом газового потока [13]. Полученные в настоящем исследовании результаты развивают указанные положения применительно к сушке суперфосфата и показывают, что увеличение количества трёхчастных насадок повышает эффективность влагоудаления, однако сопровождается ростом аэродинамического сопротивления. В отличие от большинства известных исследований, где основное внимание уделяется времени пребывания частиц или общему движению материала в барабане, в данной работе количество насадок оценивается одновременно по конечной влажности, сопротивлению и расходу теплоты [14].

Если рассматривать только технологический показатель, то 36 трёхчастных насадок являются наиболее эффективным вариантом. Например, при G = 0,09 кг/с, T = 140 °C и v = 20 м/с конечная влажность снижается до 2,897 %. Однако в этом же режиме аэродинамическое сопротивление достигает 1281,953 Па. При G = 0,1 кг/с и тех же условиях конечная влажность составляет 5,662 %, но ΔP возрастает до 1591,941 Па.

Если же учитывать энергетические ограничения, то вариант с 30 трёхчастными насадками выглядит более рациональным. Например, при G = 0,095 кг/с, T = 140 °C и v = 20 м/с при 30 насадках конечная влажность составляет 4,048 %, а аэродинамическое сопротивление — 1209,874 Па. При 36 насадках конечная влажность снижается до 3,266 %, но сопротивление возрастает до 1411,196 Па. Таким образом, дополнительное снижение влажности достигается за счёт значительного увеличения потерь давления.

Рисунок 3. Сравнение общего расхода теплоты при различном количестве трёхчастных насадок, q_общ=f(N), при G = 0,095 кг/с, T = 140 °C и v = 20 м/с.

Для графического сравнения энергетической эффективности различных вариантов количества трёхчастных насадок была построена зависимость общего расхода теплоты от их количества. Как видно из рисунка 3, при G = 0,095 кг/с, T = 140 °C и v = 20 м/с общий расход теплоты составляет 3046,098 кДж/кг испарённой влаги при 24 насадках, 3090,363 кДж/кг при 30 насадках и 3111,135 кДж/кг при 36 насадках. Увеличение количества насадок с 24 до 36 сопровождается ростом общего расхода теплоты на 65,037 кДж/кг испарённой влаги, что составляет около 2,1 %. Следовательно, вариант с 30 насадками можно рассматривать как более рациональный с точки зрения совокупного баланса между эффективностью сушки, потерями давления и энергетическими затратами.

С конструктивной точки зрения вариант с 30 насадками занимает рациональное промежуточное положение: материал достаточно активно перемешивается и рассеивается, а газовый поток ещё не испытывает столь высокого сопротивления, как при 36 насадках. Поэтому выбор количества трёхчастных насадок должен выполняться по совокупности трёх показателей: требуемой конечной влажности, аэродинамического сопротивления и общего расхода теплоты. Если переход от 30 к 36 насадкам даёт небольшое дополнительное снижение влажности, но вызывает существенный рост сопротивления, вариант с 30 насадками следует считать более рациональным.

Заключение

В результате анализа установлено, что применение трёхчастных усовершенствованных насадок в барабанной сушилке позволяет повысить эффективность сушки суперфосфата за счёт улучшения подъёма, перераспределения и рассеивания материала в потоке горячего газа. Такая конструкция усиливает контакт между материалом и сушильным агентом, что способствует снижению конечной влажности и увеличению количества испарённой влаги.

3D-графический анализ показал, что минимальная конечная влажность достигается при увеличении количества насадок и повышении температуры. При G = 0,095 кг/с и v = 20 м/с значение W₂ при 36 насадках снизилось с 5,094 % при 100 °C до 3,786 % при 120 °C и до 3,266 % при 140 °C.

Одновременно установлено, что увеличение количества трёхчастных насадок приводит к росту аэродинамического сопротивления. При тех же условиях ΔP для 36 насадок составило 1179,854 Па при 100 °C, 1285,934 Па при 120 °C и 1411,196 Па при 140 °C.

Таким образом, 36 трёхчастных насадок обеспечивают наиболее глубокую сушку, но сопровождаются повышенными потерями давления и тепловыми затратами. Вариант с 30 насадками является наиболее рациональным для большинства режимов, так как обеспечивает приемлемое снижение влажности при умеренном росте аэродинамического сопротивления. Для сушки суперфосфата рекомендуется рабочий диапазон 30–36 насадок, температура 120–140 °C и скорость газа 15–20 м/с; при приоритете энергосбережения предпочтительно применение 30 насадок.

Список литературы:

1. Сарболаев Ф.Н., Миралимова А.И., Махмудова Д.Х. Рациональное использование барабанного гранулятора-сушилки для сушки отходов пищевой промышленности с повышенным содержанием влаги и питательных веществ // Universum: технические науки. 2022. №12-4 (105). DOI: 10.32743/UniTech.2022.105.12.14780.
2. Axunbaev A. Industrial Tests of Drying of Mineral Fertilizers in a Rotary Drum Dryer // International Journal of Materials and Chemistry. – 2023. – Vol. 13. – № 2. – P. 28–33. DOI: 10.5923/j.ijmc.20231302.03.
3. Akhunbaev A., Muhamadsadikov K., Koraboev E. Quantity of material in the drum dryer attachment // E3S Web of Conferences. – EDP Sciences, 2024. – Vol. 587. – Article 03010. DOI: 10.1051/e3sconf/202458703010.
4. Борщев В.Я. О влиянии режимных и конструктивных параметров барабанного гранулятора-сушилки на фракционный состав продукта // Вестник ТГТУ. – 2020. – Т. 26. – № 2. – С. 262–270. DOI: 10.17277/vestnik.2020.02.pp.262-269.
5. Rezaei H., Sokhansanj S., Lim C. J., Lau A., Bi X. T., Melin S. A computational approach to determine the residence time distribution of biomass particles in rotary drum dryers // Chemical Engineering Science. – 2022. – Vol. 247. – Article 116932. DOI: 10.1016/j.ces.2021.116932.
6. Rezaei H., Sokhansanj S. A review on determining the residence time of solid particles in rotary drum dryers // Drying Technology. – 2021. – Vol. 39. – № 11. – P. 1762–1782. DOI: 10.1080/07373937.2021.1912081.
7. Hou J., Wang D., Zhang K., Li S., Zhang Z., Zhang K., Zhang Y., Wang X., Yang B. Study on heat and mass transfer characteristics in drying process of drum dryer based on the DEM-CFD coupled method // Thermal Science. – 2024. – Vol. 28. – № 6A. – P. 4655–4667. DOI: 10.2298/TSCI240419177H.
8. A’yuni D. Q., Kurniawan D., Prayoga M. P. I., Kumoro A. C., Djaeni M., Subagio A. Energy and carbon dioxide emission analysis of a batch-mode rice drying process in a rotary dryer // Research in Agricultural Engineering. – 2024. – Vol. 70. – № 1. – P. 35–42. DOI: 10.17221/32/2023-RAE.
9. Vargas A.R., García L.P., Guillen C.S., AlJaberi F.Y., Salman A.D., Alardhi S.M., Le P.C. Performance evaluation of a flighted rotary dryer for lateritic ore in concurrent configuration // Heliyon. – 2023. – Vol. 9. – № 11. – Article e21345. DOI: 10.1016/j.heliyon.2023.e21345.
10. Langrish T. A. G., Papadakis S. E., Baker C. G. J. Residence times of two-and three-component mixtures in cascading rotary dryers // Drying Technology. – 2002. – Vol. 20. – № 2. – P. 325–350. DOI: 10.1081/DRT-120002545.
11. Gu C. et al. A new corrected formula to predict mean residence time of flexible filamentous particles in rotary dryers // Powder Technology. – 2016. – Vol. 303. – P. 168–175. DOI: 10.1016/j.powtec.2016.08.011.
12. Malekjani N. et al. Roller/drum dryers and rotary dryers // Drying Technology in Food Processing. – Woodhead Publishing, 2023. – P. 47–66. DOI: 10.1016/B978-0-12-819895-7.00014-6.
13. Hamawand I., Yusaf T. Particles motion in a cascading rotary drum dryer // The Canadian Journal of Chemical Engineering. – 2014. – Vol. 92. – № 4. – P. 648–662. DOI: 10.1002/cjce.21845.
14. He Y., Dianyu E., Jiang Z. Influence of flight structures and baffle dam on particle behaviors and gas-solid heat exchange enhancement in a rotary drum // Powder Technology. – 2025. – Vol. 470. – Article 121939. DOI: 10.1016/j.powtec.2025.121939.

References:

1. Sarbolaev F.N., Miralimova A.I., Makhmudova D.Kh. [Rational use of a drum granulator-dryer for drying food industry waste with high moisture and nutrient content]. Universum: tekhnicheskie nauki, 2022, no. 12-4(105). DOI: 10.32743/UniTech.2022.105.12.14780. (In Russ.)
2. Axunbaev A. Industrial Tests of Drying of Mineral Fertilizers in a Rotary Drum Dryer. International Journal of Materials and Chemistry, 2023, vol. 13, no. 2, pp. 28–33. DOI: 10.5923/j.ijmc.20231302.03.
3. Akhunbaev A., Muhamadsadikov K., Koraboev E. Quantity of material in the drum dryer attachment. E3S Web of Conferences, 2024, vol. 587, article 03010. DOI: 10.1051/e3sconf/202458703010.
4. Borshchev V.Ya. [On the influence of operating and design parameters of a drum granulator-dryer on the fractional composition of the product]. Vestnik TGTU, 2020, vol. 26, no. 2, pp. 262–270. DOI: 10.17277/vestnik.2020.02.pp.262-269. (In Russ.)
5. Rezaei H., Sokhansanj S., Lim C.J., Lau A., Bi X.T., Melin S. A computational approach to determine the residence time distribution of biomass particles in rotary drum dryers. Chemical Engineering Science, 2022, vol. 247, article 116932. DOI: 10.1016/j.ces.2021.116932.
6. Rezaei H., Sokhansanj S. A review on determining the residence time of solid particles in rotary drum dryers. Drying Technology, 2021, vol. 39, no. 11, pp. 1762–1782. DOI: 10.1080/07373937.2021.1912081.
7. Hou J., Wang D., Zhang K., Li S., Zhang Z., Zhang K., Zhang Y., Wang X., Yang B. Study on heat and mass transfer characteristics in drying process of drum dryer based on the DEM-CFD coupled method. Thermal Science, 2024, vol. 28, no. 6A, pp. 4655–4667. DOI: 10.2298/TSCI240419177H.
8. A’yuni D.Q., Kurniawan D., Prayoga M.P.I., Kumoro A.C., Djaeni M., Subagio A. Energy and carbon dioxide emission analysis of a batch-mode rice drying process in a rotary dryer. Research in Agricultural Engineering, 2024, vol. 70, no. 1, pp. 35–42. DOI: 10.17221/32/2023-RAE.
9. Vargas A.R., García L.P., Guillen C.S., AlJaberi F.Y., Salman A.D., Alardhi S.M., Le P.C. Performance evaluation of a flighted rotary dryer for lateritic ore in concurrent configuration. Heliyon, 2023, vol. 9, no. 11, article e21345. DOI: 10.1016/j.heliyon.2023.e21345.
10. Langrish T.A.G., Papadakis S.E., Baker C.G.J. Residence times of two-and three-component mixtures in cascading rotary dryers. Drying Technology, 2002, vol. 20, no. 2, pp. 325–350. DOI: 10.1081/DRT-120002545.
11. Gu C. et al. A new corrected formula to predict mean residence time of flexible filamentous particles in rotary dryers. Powder Technology, 2016, vol. 303, pp. 168–175. DOI: 10.1016/j.powtec.2016.08.011.
12. Malekjani N. et al. Roller/drum dryers and rotary dryers. In: Drying Technology in Food Processing. Woodhead Publishing, 2023, pp. 47–66. DOI: 10.1016/B978-0-12-819895-7.00014-6.
13. Hamawand I., Yusaf T. Particles motion in a cascading rotary drum dryer. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 2014, vol. 92, no. 4, pp. 648–662. DOI: 10.1002/cjce.21845.
14. He Y., Dianyu E., Jiang Z. Influence of flight structures and baffle dam on particle behaviors and gas-solid heat exchange enhancement in a rotary drum. Powder Technology, 2025, vol. 470, article 121939. DOI: 10.1016/j.powtec.2025.121939.