2.3.4. Загальна корисна різниця температур і її розподіл по корпусах

Загальна різниця температур ∆t_заг багатокорпусної прямотечійної установки являє собою різницю між температурою Т₁ первинної пари, гріючої перший корпус, і температурою вторинної пари Т'_к, що надходить з останнього корпуса в конденсатор

∆t_заг = Т₁ -Т'_к . (32)

Загальна різниця температур не може бути цілком використана через наявність температурних утрат. Тому корисна різниця температур для всієї установки буде менше ∆t_заг.

Для БВУ загальна корисна різниця температур дорівнює різниці між температурою Т₁ свіжої пари, гріючої перший корпус, і температурою конденсації Т'_n вторинної пари, що виходить з останнього (n-го) корпуса, за винятком суми температурних утрат ∆ в усіх корпусах установки (з обліком ∆'''), тобто

∆t_кор=Т₁-Т'_n - ∆ . (33)

Загальна корисна різниця температур ∆t_кор повинна бути розподілена між корпусами з урахуванням умов їх роботи. Як випливає з основного рівняння теплопередачі, поверхня нагріву (F) корпуса при заданих тепловому навантаженні Q і коефіцієнті теплопередачі k визначається величиною ∆t_кор. Відповідно зменшення коефіцієнту теплопередачі по корпусах, обумовлене, наприклад, збільшенням в'язкості розчину, що випарюється, можна компенсувати збільшенням корисної різниці температур в них.

Поверхня нагріву усієї випарної установки при даних теплових навантаженнях корпусів буде також залежати від розподілу загальної корисної різниці температур між корпусами. В основі найбільш застосовуваних способів розподілу t_кор лежать економічні міркування.

4. Конструкції сушарок.

3.13. Конструкції сушарок

Конструкції сушарок відрізняються по ряду ознак:

1) по способу підведення тепла (конвективні, контактні і т.д.);

2) по виду використовуваного теплоносія (повітряні, газові, парові);

3) по величині тиску в сушильній камері (атмосферні і вакуумні);

4) по способу організації процесу (періодичні і неперервні);

5) по взаємному напрямку руху матеріалу і сушильного агента в конвективних сушарках (прямотечія, протитечія, перехресний тік).

Конвективні сушарки з нерухомим чи щільним шаром матеріалу, що рухається

• Камерні сушарки. Ці сушарки є апаратами періодичної дії, що працюють при атмосферному тиску. Вони використовуються у виробництвах невеликого масштабу для матеріалів, що допускають невисоку температуру сушіння, наприклад барвники.

• Тунельні сушарки. Ці сушарки відрізняються від камерних тим, що в них з'єднані один з одним вагонетки повільно переміщаються по рейках уздовж дуже довгої камери прямокутного перетину. На вході і виході коридор має герметичні двері, що одночасно періодично відкриваються для довантаження і вивантаження матеріалу: вагонетка з висушеним матеріалом видаляється з камери, а з протилежного кінця в неї надходить нова вагонетка з вологим матеріалом. Сушильний агент рухається прямотіком чи протитоком до матеріалу, що висушується.

Тунельні сушарки звичайно працюють з частковою рециркуляцією сушильного агента і використовуються для сушіння великих кількостей штучних матеріалів (керамічних виробів).

По інтенсивності сушіння тунельні сушарки мало відрізняються від камерних. Їм властиві основні недоліки останніх (тривале і нерівномірне сушіння, ручне обслуговування).

• Стрічкові сушарки. У цих сушарках сушіння матеріалів проводиться беззупинно при атмосферному тиску. Сушіння здійснюється гарячим повітрям чи топковими газами, що рухаються протитечією чи перехресним струмом до напрямку руху матеріалу.

Водно-стрічкових сушарках із суцільною стрічкою звичайно спостерігається нерівномірне висушування матеріалів: у внутрішній частині шару, зверненої до стрічки, кінцева вологість вище, ніж у його зовнішній частині, яку омиває газами чи повітря.

Більш ефективне застосування багатострічкових сушарок зі стрічками з металевої сітки. Стрічкові сушарки можуть працювати по різних схемах сушильного процесу. Стрічкові сушарки громіздкі і складні в обслуговуванні головним чином через перекоси і розтягання стрічок. Вони не придатні для сушіння пастоподібних матеріалів, тому для цих цілей їх використовують у комбінації з вальцовими сушарками.

Петлеві сушарки. Сушіння пастоподібних матеріалів, а також тонких листових (папера) роблять у безупинно діючих петлевих сушарках, що працюють при атмосферному тиску. У них сушіння здійснюється в шарі невеликої товщини (5…20 мм) при двостороннім омиванні стрічки гарячим повітрям і прогріві запресованого матеріалу металевим каркасом (сіткою), нагрітими вальцями. Це забезпечує велику швидкість сушіння в порівнянні з камерними сушарками. Разом з тим петлеві сушарки відрізняються складністю конструкції і вимагають значних експлуатаційних витрат.

Конвективні сушарки з перемішуванням шару матеріалу

Барабанні сушарки. Ці сушарки широко застосовуються для безупинного сушіння при атмосферному тиску кускових, зернистих і сипучих матеріалів (мінеральних солей, фосфоритів і ін.).

Типи промислових барабанних сушарок різноманітні: сушарки, що працюють при протитечії сушильного агента і матеріалу, з використанням повітря як сушильного агента, контактні барабанні сушарки й ін.

Конвективні сушарки з псевдозрідженим шаром матеріалу

Сушарки з киплячим шаром. Ці сушарки є одним із прогресивних типів апарата для сушіння.

Процес у киплячому шарі дозволяє значно збільшувати поверхню контакту між частками матеріалу і сушильним агентом, інтенсифікувати випар вологи з матеріалу і скоротити (до декількох хвилин) тривалість сушіння.

Сушарки з киплячим шаром у даний час успішно застосовуються в хімічній технології не тільки для сушіння сильно сипучих зернистих матеріалів (мінеральних і органічних солей), але і матеріалів, підданих комкованню (для ПВХ, поліетилену і т.д.), а також пастоподібних матеріалів (пігментів, анілінових барвників), розчинів, розплавів і суспензій. Найбільш поширені однокамерні сушарки беззупинної дії.

Однак застосовуються і багатокамерні сушарки. Вони більш складні по конструкції, вимагають великих питомих витрат сушильного агента й електроенергії. Крім того, процес у них трудніше піддається автоматизації. Їхнє застосування доцільне лише для матеріалів зі значним опором внутрішньої дифузії вологи, що вимагають тривалого сушіння, а також матеріалів, що потребують у регулюванні температурного режиму сушіння (у запобіганні перегріву). У них зручно сполучати процеси сушіння й охолодження матеріалів.

Для матеріалів, мало чуттєвих до нагрівання, застосовують двох і трьох секційні ступенево-протитічні сушарки з киплячим шаром. За рахунок протитоку матеріалу і сушильного агента досягається більш високий ступінь насичення газу вологою, але висушений матеріал стикається з найбільш гарячим теплоносієм.

За допомогою сушарок з киплячим шаром при раціональному апаратурному оформленні процесу досягається економічне сушіння з високим вологозйомом з одиниці об'єму сушильної камери. Тому при сушінні деяких продуктів (солей) сушарки з киплячим шаром витісняють барабанні і менш ефективні сушарки інших типів.

Розпилюючі сушарки. У цих сушарках досягається висока інтенсивність випару вологи за рахунок тонкого розпилення матеріалу, що висушується, у сушильній камері, через яку рухається сушильний агент (нагріте повітря чи потокові гази). При сушінні в розпиленому стані питома поверхня випару досягає дуже великої величини, і процес висушування завершується швидко (15-30 сек.). У цих сушарках досягається швидке сушіння в м'яких температурних умовах, що дозволяє одержати якісний порошкоподібний продукт, добре розчинний і не потребуючий подальшої зміни. Можливе сушіння і холодним теплоносієм, коли розпилюючий матеріал попередньо нагрітий. Однак устаткування дуже громіздке і дороге в експлуатації.

Конвективні сушарки з пневмотранспортом матеріалу

Для сушіння в зваженому стані зернистих (не сліпаються) і кристалічних матеріалів застосовують пневматичні сушарки.

Витрата енергії в пневматичних сушарках значний, причому він знижується зі зменшенням розміру часток матеріалу, що не повинний перевищувати 8-10 мм. Для сушіння матеріалів з великими частками, а також для видалення з матеріалу зв'язаної вологи пневматичні сушарки комбінують із сушарками інших типів. Таким чином, незважаючи на компактність і простоту пристрою, область застосування пневматичних сушарок обмежена.

Контактні сушарки

Вакуум-сушильні шафи використовують для сушіння малотоннажних продуктів у виробництвах з різним асортиментом продукції, де застосування високопродуктивних механізованих сушарок безупинної дії економічно не виправдано. Вони придатні для сушіння легкоокислюючихся, вибухонебезпечних і виділяючих шкідливі чи коштовні пари речовин. Однак вони малопродуктивні і малоефективні, оскільки сушіння в них відбувається в нерухомому шарі при наявності погано провідних тепло зазорів між листами і плитами, що гріють.

Грибкові вакуум-сушарки. У цих контактних сушарках періодичної дії швидкість сушіння трохи збільшується за рахунок перемішування матеріалу повільно обертовою горизонтальною мішалкою з грибками; разом з тим вони не вимагають ручного завантаження і вивантаження матеріалу. Продуктивність таких сушарок залежить від температури пари, що гріє, величини розрідження і початкової вологості матеріалу. Вони придатні для сушіння чуттєвих до високих температур, а також токсичних і вибухонебезпечних речовин, для одержання висушених продуктів підвищеної чистоти, а також у тих випадках, коли необхідне уловлювання (конденсація) пари неводних розчинників, що видаляються з матеріалів.

Вальцові сушарки. У них здійснюється беззупинне сушіння рідин і текучих пастоподібних матеріалів при атмосферному тиску чи при розрідженні. У вальцових сушарках можливе ефективне сушіння в тонкому шарі (плівці) матеріалів, що не витримують тривалого впливу високих температур (барвників). Тривалість сушіння регулюється числом оборотів вальців. Однак у сушарках без досушувателів часто не досягається необхідна низька кінцева вологість матеріалу.

Процес контактного сушіння не можна інтенсифікувати при використанні топкових газів унаслідок низьких коефіцієнтів тепловіддачі від газів до стінок вальців. Однак підвищення температури поверхні, що гріє, можливо у випадку використання для нагрівання високотемпературних теплоносіїв (дифенильної суміші).

Спеціальні види сушіння і типи сушарок

Розрізняють терморадіаційні, високочастотні і сублімаційні сушарки.

Терморадіаційні - у них необхідне для сушіння тепло повідомляється інфрачервоними променями. У такий спосіб до матеріалу можна підводити питомі потоки тепла, у десятки разів перевищуючі відповідні потоки при конвективному чи контактному сушінню. Тому при цьому процесі сушіння значно збільшується інтенсивність випару вологи з матеріалу. Однак при висушуванні товстошарових матеріалів швидкість сушіння може визначатися не швидкістю підведення тепла, а швидкістю внутрішньої дифузії чи вологи вимогами, пропонованими до якості матеріалу, що висушується, (неприпустимість дороблення, порушення структури і т.д.). терморадіаційне сушіння ефективне в основному для висушування тонколистових чи матеріалів лакофарбових покрить.

Екзаменаційний білет № 8

1. Умови однозначності для теплопровідності.

2.4. Математична модель конвективного теплообміну. Умови однозначності

Система рівнянь енергії, руху і нерозривності описує процес конвективного теплообміну і в скороченому записі має вигляд:

; (38)

; (39)

; (40)

; (41)

.

Приведена система рівнянь описує нескінченну множину процесів. Для її розв’язання у кожному конкретному випадку потрібно додати умови однозначності. Умови однозначності дають математичний опис усіх особливостей явища. Ці умови складаються з:

а) геометричних умов, характеризуючих форму і розміри об’єму, який розглядаємо;

б) фізичних умов, характеризуючих фізичні властивості середовища (в’язкість , теплопровідність , густина  і т. д.);

в) початкових умов, характеризуючих поля швидкостей і температур у початковий момент часу;

г) граничних умов, характеризуючих особливості протікання процесу на границі середовища.

При розв’язанні рівнянь гідродинаміки дуже часто використовують умову прилипання, тобто рівність нулю швидкості рідини біля твердої поверхні. При розв’язанні рівняння енергії можуть бути задані наступні граничні умови:

1. Граничні умови першого роду, коли задається значення температури на поверхнях, обмежуючих середовище. Задається розподілення температури на поверхні тіла для кожного моменту часу:

, (43)

де t_п - температура на поверхні тіла;

x,y,z - координати поверхні тіла.

У окремому випадку, коли температура на поверхні є величиною постійною протягом усього часу протікання процесів, то рівняння (43) спрощується і набуває вигляд .

2. Граничні умови другого роду, коли на поверхнях заданий тепловий потік, . У найпростішому випадку .

3. Граничні умови третього роду, у яких припускається, що тепловий потік на поверхнях пропорційний різниці температур поверхні і рідини, тобто характеризує закон теплообміну між поверхнею і навколишнім середовищем у процесі охолодження або нагрівання тіла.

, (44)

де n- нормаль до поверхні тіла;

(гран) - вказує на те, що градієнт відноситься до поверхні тіла (при n=0).

. (45)

4. Граничні умови четвертого роду застосовуються, коли на межі двох середовищ тепло передається теплопровідністю.

. (46)

Таким чином, система рівнянь (38)…(42) разом з умовами однозначності описує конкретні задачі конвективного теплообміну, які можуть вирішуватись аналітично, лічильними методами або методами теорії подібності.