5.2.Изображение процессов сушки на j-х диаграмме

Сушка с однократным использованием воздуха (однозонная сушка)

Исходные данные для построения и расчета.

Пример 1.

Дано: 1).Параметры исходного воздуха: температура t₀ и относительная влажность ₀; 2).Температура воздуха после его нагрева в основном калорифере t₁; 3).Температура t₂ (или влажность ₂) отработанного воздуха. Необходимо: 1).Построить идеальный и реальный процесс сушки на J-x диаграмме; 2).Подобрать вспомогательное оборудование для осуществления процесса.

Порядок построения (см. рис.34). 1). По двум параметрам исходного воздуха определяем положение т.А(0), характеризующей его параметры на входе в сушильную камеру. Для этого проводятся линии t₀=const и ₀= const до их пересечения и определяется влагосодержание х₀ и теплосодержание J₀ воздуха:

. (275)

2).Для определения т.В(1), характеризующей параметры воздуха после его нагрева в основном калорифере проводится линия постоянного влагосодержания х₀=сonst до пересечения с изотермой t₁=const. Полученная линия АВ характеризует процесс нагрева воздуха в калорифере:

. (276)

3).Для построение линии идеальной сушки через т.В проводят линию постоянной энтальпии J₁=const до пересечения с изотермой t₁=const:

. (277)

4).Построение линии реальной сушки осуществляют в следующем порядке:

• на оси влагосодержания воздуха выбирают произвольно его значение х;

• рассчитывают энтальпию воздуха J по выражению

; (278)

- проводят линию постоянного влагосодержания и теплосодержания до их пересечения, определяя положение произвольной точки Е

; (279)

• соединяя т.В и т.Е проводят линию ВЕ до ее пересечения с изотермой t₂=const. Полученная т.С(2) характеризует параметры отработанного воздуха, линия ВС – реальный процесс сушки:

; (280)

Рис.34. Изображение однозонной сушки на J-х диаграмме (пример 1)

• определяют положение , соответствующей линии теоретической сушки . Для этого проводят линию постоянного влагосодержания х₀=сonst до пересечения с линией постоянной энтальпии J₁=const:

. (281)

После построения теоретической и действительной сушки рассчитывают следующие параметры, позволяющие подобрать вспомогательное оборудование:

• удельный расход абсолютно сухого воздуха, кг а.с.в./кг вл.

; (282)

• расход абсолютно сухого воздуха, кг а.с.в./с.

; (283)

• расход влажного воздуха, кг/с (по этому параметру подбирается воздуходувная машина)

; (284)

• тепловая нагрузка основного калорифера, Вт

; (285)

• из уравнения теплопередачи, предварительно рассчитав средний температурный напор t_ср и коэффициент теплопередачи К, определяют необходимую поверхность калориферной станции

; (286)

• задавшись поверхность одного калорифера F₁ находят их количество n

. (287)

На практике при расчете однозонной сушки встречается задача, когда известными являются два параметра исходного и отработанного воздуха.

Пример 2. 1).Даны параметры исходного воздуха: температура t₀, относительная влажность ₀; 2).Отработанный воздух имеет температуру t₂, влажность ₂. Требуется построить идеальный и реальный процесс сушки на J-x диаграмме.

Порядок построения.

1).По параметрам исходного воздуха определяют положение т.А

. (288)

2).По параметрам отработанного воздуха определяют положение т.С

. (289)

3).По параметрам воздуха после идеальной сушки определяют положения т. :

• рассчитывается удельный расход воздуха l=1/(x₂-х₀);

• из уравнения теплового баланса определяют внутренний тепловой баланс сушильной камеры ;

• рассчитывают отклонение реального процесса от идеального /l и из уравнения (274) определяют значение энтальпии идеальной сушки J₁, которое откладывают на диаграмме:

. (290)

Необходимо учесть, что при отрицательном внутреннем тепловом балансе энтальпия J₁ располагается выше энтальпии реального процесса J₂, при положительном значении – ниже.

4).Определяют необходимую температуру воздуха на входе в сушильную камеру (т.В). Для этого по линии постоянной энтальпии J₁ =const поднимаются до пересечения с линией постоянного влагосодержания х₀ =const :

; (291)

рассчитывают и подбирают основной калорифер. Порядок построения такого процесса изображен на рис.36.

Сушка с промежуточным подогревом воздуха по зонам (многозонная сушка) и ее преимущества. Схема установки, материальный баланс, построение вариантов процесса на J-х диаграмме

Рис.35.Схема трехзонной сушилки с промежуточным подогревом воздуха по зонам

Р ис.36.Изображение однозонной сушки на J-x диаграмме (пример 2)

М ногозонная сушка используется для обработки термолабильных материалов, разлагающихся при высоких температурах сушки, и позволяет провести процесс в более мягких условиях. Это обеспечивается за счет того, что в каждой секции сушильной камеры осуществляется ступенчатый подогрев воздуха.

При построении процесса сушки на J-x диаграмме необходимо иметь сведения о влагосодержании воздуха на входе и выходе из каждой зоны. Для их расчета используют материальный баланс по абсолютно сухому воздуху, согласно которому расход абсолютно сухого воздуха в каждой зоне одинаков и равен его расходу в сушильной камере (L):

, (292)

где W₁, W₂, W₃ – массовый расход испаряемой влаги в каждой зоне, кг/c, получаемый путем распределения общего количества испаряемой влаги (W); , , - удельный расход воздуха в каждой зоне, кг а.с.в./кг влаги. Задавшись влагосодержанием из уравнения (290) получают искомое распределение

. (293)

Пример 3.Построить процесс трехзонной сушки по следующим заданным параметрам: 1) температура и относительная влажность исходного воздуха t₀, ₀; 2) максимально допустимая температура воздуха t_мах; 3) распределение испаряемой влаги по зонам сушильной камеры W₁, W₂, W₃.

Порядок построения (рис.37):

1).Определяют параметры исходного воздуха, т.А₁:

. (294)

2).Рассчитывают (293) и откладывают на диаграмме влагосодержание на входе и выходе из каждой зоны: х₀, х₂, х₃, .

3).Проводят построение идеального и реального процесса сушки в каждой зоне.

3.1. I зона.

3.1.1.Определяют параметры воздуха после его нагрева в основном калорифере I зоны (т.В₁), для этого проводят линия постоянного влагосодержания х₀=сonst до пересечения с изотермой t_max=const. Полученная линия А₁В₁ характеризует процесс нагрева воздуха в калорифере:

. (295)

Р ис.37. Изображение многозонной сушки на J-x диаграмме (пример 3)

3.1.2.Проводят построение идеального процесса сушки в I зоне ( ). Через т.В₁ проводят линию постоянной энтальпии до пересечения линией постоянного влагосодержания :

. (296)

3.1.3.Рассчитывают отклонение реального процесса от идеального (D/l)¹ для I зоны и определяют значение энтальпии реальной сушки , которое откладывают на диаграмме:

. (297)

При отрицательном внутреннем тепловом балансе энтальпия располагается ниже энтальпии идеального процесса . Пересечение линий и позволяет получить точку С₁, а затем и линию В₁С₁ реального процесса сушки в I зоне:

. (298)

Аналогичным образом проводят построение в других зонах.

II зона.

- Из т.С₁ проводится линия постоянного влагосодержания х₂ до пересечения с изотермой t_max, полученная линия С₁В₂ характеризует процесс нагревания воздуха в калорифере:

; (299)

- через т.В₂ проводят линию постоянной энтальпии до пересечения с линией влагосодержанием отработанного воздуха х₃ на выходе из II зоны, определяют положение линии теоретической сушки в этой зоне:

; (300)

- рассчитав отклонение реального процесса от теоретического (/l)² определяют значение энтальпии реального процесса

(301)

и по ее пересечению с линией постоянного влагосодержания х₃ определяют положение т.С₂, а затем и линии практической сушки В₂С₂:

. (302)

Порядок построения процессов подогрева воздуха С₂В₃, идеальной и реальной В₃С₃ сушки в III зоне аналогичен. Анализ построенного процесса сушки показывает, что для испарения такого же количества влаги в однозонной сушилки требуется значительно большая температура сушильного агента (изотерма, проходящая через т. значительно больше допустимой). В этом и заключается главное преимущество многозонной сушки – более мягкие условия процесса.

В ряде случаев, при обработке ряда материалов в пищевой и химической технологиях, накладывается жесткое условие на влажность используемого воздуха. В этом случае при расчете сушилок задается влажность отработанного воздуха.

Пример 4. Построить процесс сушки в трехзонной сушильной камере по следующим параметрам: 1) температура и относительная влажность исходного воздуха t₀, ₀; 2) влажность воздуха на выходе из каждой зоны сушильной камеры: ₂; 3) распределение испаряемой влаги по зонам сушильной камеры W₁, W₂, W₃.

Порядок построения (рис.38):

1).Параметры исходного воздуха, т.А₀:

. (303)

2).Проводят линию постоянной относительной влажности ₂ и линии постоянного влагосодержание на выходе из каждой зоны х₂, х₃, , рассчитанные по системе уравнений (293), до их пересечения. Полученные точки С₁, С₂, С₃ характеризуют параметры отработанного воздуха на выходе из соответствующей зоны сушильной камеры:

. (304)

Для каждой зоны рассчитывают удельной расход абсолютно сухого воздуха l₁, l₂, l₃ и по диаграмме для точек С₁, С₂, С₃ определяют энтальпии отработанного воздуха: , , .

3).Рассчитывают отклонение реального процесса сушки от идеального для каждой зоны: (/l)¹, (/l)², (/l)³ и определяют энтальпии идеальных процессов сушки , , :

Р ис.38. Изображение многозонной сушки на J-x диаграмме (пример 4)

. (305)

Далее построение процессов проводят индивидуально для каждой зоны.

I зона.

Проводят линию постоянной энтальпии до пересечения с линией постоянного влагосодержания х₂ в т.

. (306)

Двигаясь по линии постоянной энтальпии до пересечения с линией постоянного влагосодержания исходного воздуха х₀=сonst получают т.В₁, характеризующей все параметры исходного воздуха после его нагрева в калорифере I зоны. Соединяя т.В₁ и т.С₁ получают линию В₁С₁, характеризующую реальный процесс сушки в I зоне:

. (307)

Сравнивая полученную температуру t₁ на входе в I зону сушильной камеры с максимально допустимой температурой сушки t_max оценивают возможность ее использования. При положительном анализе рассчитывают калорифер I зоны, подбирают воздуходувную машину.

Аналогичным образом проводят построение в других зонах.

II зона:

• т.

; (308)

• т.В₂ и действительный процесс сушки В₂С₂

; (309)

III зона.

• т. :

; (310)

• т.В₃ и действительный процесс сушки В₃С₃:

. (311)

Сушка с рециркуляцией отработавшего воздуха

Сушилки с рециркуляцией отработавшего воздуха используются для предотвращения коробления и растрескивания материалов за счет тонкой регулировки влажности и температуры воздуха в сушильной камере. Кроме того, одновременно с понижением температуры воздуха и увеличением его начального влагосодержания рециркуляция воздуха увеличивает его скорость в сушильной камере и процесса в целом.

Сушильная установка с рециркуляцией рис. 39 (с частичным возвратом отработавшего воздуха) работает следующим образом: свежий воздух смешивается с частью отработанного воздуха в смесители 1. Полученная смесь нагревается в калорифере 2, поступает в сушильную камеру 3 и на выходе из нее разделяется в отделителе 4 на поток отработанного и рециркулирующего воздуха.

Рис.39. Схема сушилки с рециркуляцией отработавшего воздуха: 1 смеситель, 2 – калорифер, 3 – сушильная камера, 4 – отделитель отработавшего воздуха

При расчете таких сушильных процессов пользуются понятием кратности рециркуляции m:

. (312)

Физический смысл этой величины заключается в том, что она показывает какое количество рециркулирующего воздуха необходимо подавать в расчете на 1кг свежего воздуха. Именно это понятие используется для составления материального и теплового баланса смесителя, из которых получают расчетные параметры смеси (х_см, J_см), необходимые для построения процесса на J-x диаграмме.

Материальный и тепловой балансы смесителя:

; (313)

. (314)

Из выражений (311)(312) получают уравнения для параметров смеси:

. (315)

Построение теоретического и действительного процесса сушки с рециркуляцией отработавшего воздуха

Пример 5. Заданы: 1) температура и относительная влажность исходного воздуха t₀, ₀; 2) относительная влажность и температура на выходе из сушильной камеры t₂, ₂; 3) максимально допустимая температура нагрева смеси t_max.

Порядок построения (рис.40).

1).Параметры исходного воздуха, т.А(0):

. (316)

2).Параметры отработавшего воздуха, т.С(2):

. (317)

3).Соединяя т.А и т.С строят линию смешения свежего и отработавшего воздуха АС. Определяют удельный расход свежего воздуха

. (318)

Рис.40. Изображение процесса сушки с рециркуляцией отработавшего воздуха (пример 5)

4).Рассчитывают внутренний тепловой баланс сушильной камеры , а затем отклонение реального процесса сушки от идеального (/l), определяют энтальпию идеального процесса J₁

. (319)

Проводят линию постоянной энтальпии J₁ до пересечения с линией постоянного влагосодержания х₂ в т.

. (320)

Двигаясь по линии теоретической сушки до пересечения с изотермой t_max получают т.В, характеризующей все параметры смеси после ее нагрева в калорифере. Соединяя т.В и т.С получают линию ВС, характеризующую реальный процесс сушки

. (321)

Опускаясь из т.В по линии постоянного влагосодержания х₁ до пересечения с линией АС определяют положение т.М, характеризующей параметры смеси свежего и отработавшего воздуха. Полученная линия МВ характеризует процесс нагрева этой смеси в калорифере:

. (322)

Удельный расход рециркулирующего воздуха

. (323)

Линия АМВСМ характеризует весь реальный процесс: АМ – смешение свежего и отработанного воздуха в смесителе; МВ – процесс нагревания полученной смеси в калорифере; ВС и - реальный и теоретический процесс сушки. Сравнение действительного процесса сушки с рециркуляцией воздуха с аналогичным процессом в однозонной сушилки указывает на значительное уменьшение температуры сушки и увеличение влажности используемого воздуха, вследствие этого улучшается качество сушки материала.

Пример 6. Заданы: 1) температура и относительная влажность исходного воздуха t₀, ₀; 2) относительная влажность и температура на выходе из сушильной камеры t₂, ₂; 3) кратность рециркуляции m.

Порядок построения (рис.41).

1).Параметры исходного воздуха, т.А(0):

. (324)

2).Параметры отработавшего воздуха, т.С(2):

. (325)

3).Соединяя т.А и т.С строят линию смешения свежего и отработавшего воздуха АС. По известному значению кратности рециркуляции m рассчитывают по уравнениям (315) влагосодержание и теплосодержание смеси,

определяют положение т.М:

. (326)

Определяют удельный расход свежего воздуха

. (327)

4).Рассчитывают внутренний тепловой баланс сушильной камеры , отклонение реального процесса сушки от идеального (/l), определяют энтальпию идеального процесса J₁:

. (328)

Проводят линию постоянной энтальпии J₁ до пересечения с линией постоянного влагосодержания х₂ в т. .

. (329)

5).Определяют положение т.В, характеризующей параметры смеси после ее нагревания в калорифере. Для этого проводят линию постоянного влагосодержания х_см=const до пересечения с линией теоретического процесса сушки J₁= const:

. (330)

Соединяя т.В с т.С и т. и получают линии ВС и , характеризующие реальный и теоретический процессы сушки.

Рис.41. Изображение процесса сушки с рециркуляцией отработавшего воздуха (пример 6)