УДК 66.096.5
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОМАССООБМЕНА В СУШИЛЬНОМ АППАРАТЕ С ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ
А. А. Надеев1, А. М. Надеев2
1Канд.техн.наук,anadeev@cchgeu.ru
2Ст.преподаватель,alekn85@yandex.ru
ФГБОУВО«Воронежскийгосударственный технический университет»
В данной работе приведены результаты экспериментального исследования процесса тепломассообмена при сушке капиллярно-пористого дисперсного материала (силикагеля) в аппарате с псевдоожиженным слоем. Описана методика исследования и элементы испытательного стенда. Приведён анализ полученных результатов.
Ключевые слова: дисперсный материал, псевдоожиженный слой, сушильный агент, кинетика сушки.
Одним из самых энергозатратных теплотехнологических процессов вяляется сушка твёрдых материалов, отдельным классом которых являются дисперсные (сыпучие) материалы.Они составляют значительную часть продукции химической, строительной промышленности и агропромышленного комплеса.
В настоящее время в промышленности применяются сушильные аппраты, с основу работы которых положены различные теплотехнологические принципы [1]. Одним из самых энергоэффективных принципов является организация процесса сушки в псевдоожиженном слое и, в частности, центробежном псевдоожиженном слое. Экспериментальному и теоретическому исследованию сушки в таком слое посвящены, например, работы [2, 3]. Данная работа продолжает экспериментальное исследование сушки силикагеля в аппарате периодичского действия с центробежным псевдоожиженным слоем при вертикальной подаче сушильного агента.
Схема аппарата и испытательного стенда приведена в [2]. Основным элементом аппарата является кольцевая рабочая камера, в которой внешним корпусом и внутренней обечайкой образован кольцевой канал. Движение высушиваемого материала по нему осуществляется с помощью газораспределительной решётки с наклонными лопатками.
Испытательный стенд для исследования тепломассообменав сушильном аппарате содержит центробежный вентилятор, электрокалорифер, ПК и различное контрольно-измерительное оборудование– средства измерения темпера-
47
туры и относительной влажности сушильного агента, скорости сушильного агента, влагосодержания и температуры твёрдых веществ, ПИД-регулятор, частотный преобразователь. Регистрация экспериментальных данных осуществляется в SCADA-системе Owen Process Manager. Их обработка проводится с использованием аппроксимации кубическими сплайнми по [4].
При этом методика экспериментального исследования по сравнению с описанной в [2] была усовершенствована: увеличено число отборов проб высушиваемого материала для первого периода сушки; измерение температуры материала производится с помощью инфракрасного датчика MoreSunsDIY; датчики влажности воздуха Siemens QFM2101 заменены на более точные и малоинерцонные Galltec+Mela FRC 3/5; регулирование температуры сушильного агента (атмосферного воздуха) производится в автоматическом режиме с помощью твердотельных реле, подключённыхк ПИД-регулятору. Это позволяет получить более надёжную измерительную информацию.
Испытательный стенд позволяет получать данные об основных парметрах процесса тепломассообмена: начальной и конечной температурах ус-
шильного агента (tг′, tг′′); начальной и конечной относительной влажности усшильного агента (ϕ′, ϕ′′); температуре и влагосодержания высушиваемого материала (tm , u ), скорости сушильного агента на входе в рабочую камеру (υг ).
Высушиваемый материал– силикагель с эквивалентным диаметром частиц dэ =3,8 мм. Масса влажного силикагеля в рабочей камере аппрата Mт0 =
1,0; 1,2; 1,4 кг. Начальное влагосодержание силикагеляu0 =0,32;0,53;0,82кг/кг. В данной серии экспериментов исследовано 15 режимов работы аппар-
та с параметрами: tг′ = 35; 40; 45; 50; 55 °C;υг = 1,4; 1,5; 1,6 м/с. Три режима ра-
боты аппарата (tг′ =35; 45; 55 °C и υг =1,4 м/с) проиллюстрированы на рис. 1, 2, 3.
Начальные параметры силикагеля– Mт0 =1,0кги u0 =0,82кг/кг.
48
Рис. 1. Изменение влагосодержания дисперсного материала:
1– tг′ =35°C;2– tг′ =45°C;3– tг′ =55°C
Рис. 2. Изменение температуры сушильного агентаи материала:
────– tг′; ─ ─ ─ –tг′′;----– tт ;
1– tг′ =35°C;2– tг′ =45 °C; 3– tг′ =55°C
49
Рис. 3. Изменение влажности теплоносителя (воздуха):
────– ϕ′; ─ ─ ─– ϕ′′; 1 –tг′ =35°C;2– tг′ =45°C;3– tг′ =55°C
На рис. 1 представлены кривые сушки– зависимости влагосодержания материала от времени сушки. На рис. 2 представлены кривые нагрева дисперсного материала, а также температуры сушильного агента на входе в рабочуюкамеру аппарата и на выходе из неё. На рис. 3 показано изменение относительной влажности сушильного агента после рабочей камеры и его начальная влажность.
Силикагель относится к классу капиллярно-пористых тел, которые имеют известный вид кривых сушки и нагрева [1]. Полученные кривые имеют аналогичный вид.
На приведённых рисунках можно выделить три стандартных периода сушки. Период прогрева высушиваемого материала для представленных режимов длится около 30секунд (см. кривую нагрева). Период постоянной скорости сушки (первый), характеризуемый постоянной температурой материала и линейным изменением его влагосодержания, длитсяот 2 до 3 минут.Период падающей скорости сушки (второй) характеризуется постепенным повышением температу-
ры материала tт до температуры tг′′ и экспоненциальным снижением влагосодержания материала до равновесного с параметрами сушильного агента значения uр . Его продолжительность для первогопредставленного режима составляет 15-16 мин., для второго–14-15 мин., для третьего–12-13 мин.
50
Первый и второй периоды сушки также можно выделить на кривых,торажающих изменение температуры сушильного агентаtг′′ и его влажностиϕ′′ в
процессе сушки (рис. 2 и 3). Пик на кривойϕ′′ показывает максимальное насы-
щение сушильного агента парами испарившейся из материала воды.
Анализ исследованных режимов работы показал, что увеличение темпратуры сушильного агента и его скоростиприводит к повышениюинтенсивности тепломассообмена, что, в свою очередь, уменьшает продолжительность процесса сушки. При повышенииначальной массы материала в рабочей камерепроисходит увеличение продолжительности процесса сушки инебольшое снижение её интенсивности. При этом высокая интенсивность тепломассообмена позволяет применять низкотемпературную сушку, что уменьшает затраты электроэнергии на весь процесс.
Литература
1.Муштаев В. И. Сушка дисперсных материалов / В. И. Муштаев, В.М.Ульянов–М.: Химия, 1988. –352 с.
2.Надеев А.А. Экспериментальное исследование процесса сушки сил-
кагеля в аппарате с центробежным псевдоожиженным слоем / А. А. Надеев, А.В. Бараков, В.Ю. Дубанин, А.Ю. Андреев // Вестник Воронежского государственного технического университета. –2018. –Т. 14. –№ 2.–С. 44-50.
3. Бырдин А.П. Двухпараметрическая асимптотика для модели процессов обмена в динамическом слое / АП. . Бырдин, А.А. Надеев, А.А. Сидоренко // Вестник Воронежского государственного технического университета.–2015.–Т.
11.–№ 4. –С. 115-118.
4.Methods for processing experimental drying kinetics data / I.C. Kemp, B.C. Fyhr, S. Laurent et al. // Drying Technology–. 2001. – Vol. 19 (1).– P. 15–34. DOI: 10.1081/DRT-100001350.
51