9.2. Система: материал — сушильная установка

Сушильный агент, поступающий в установку, харак­ теризуется входными параметрами (обозначены индек­ сом са): температурой Гса, влагосодержанием dca(q>ca), скоростью обтекания материала vca- Выходные парамет­ ры отработанного сушильного агента (обозначены ин­ дексом ос): температура Гос, относительная влажность ФосСкорость в отсасывающей системе на тепло- и массообмен не влияет.

Взаимодействие сушильного агента с материалом ха­ рактеризуется следующими параметрами: коэффициен­ том теплоотдачи а; коэффициентом массопередачи Р; временем, затраченным на сушку, t, а также поверх­ ностью изделия, которая будет контактировать с су­ шильным агентом. Изделие необходимо загрузить на транспортное устройство в несколько рядов. Следова­ тельно, для испарения влаги закрыта сторона поверхно­ сти изделия, на которой оно лежит и которой оно сопри­ касается с другим изделием. Поэтому в качестве вход­ ного параметра взаимодействия сушильного агента с материалом вводят характеристический размер изделия R v— отношение объема изделия к его поверхности, от­ крытой для испарения.

По проведенному анализу составим блок-схему (рис. 9.3) с учетом средней температуры Гса и относи­ тельной влажности сушильного агента фса.

Введем следующие обозначения. Группу входных па­ раметров, характеризующих материал и изделие: р0, А,о, Со, Uo, Г0, Яо, Rv, обозначим X и отнесем к контролируе­ мым, но нерегулируемым. Группу входных параметров, характеризующих сушильный агент, отнесем к контро­ лируемым и регулируемым и обозначим Н\. Группу па­ раметров, характеризующих взаимодействие сушильно­ го агента с материалом, также отнесем к контролируе­ мым и регулируемым параметрам, но будем помнить, что а, р, / являются зависимыми от Гса, фса, Vca, поэто­ му обозначим их Нч.

В блок-схему входит группа параметров Z: тепловая инерция сушильной установки z u подсосы наружного воздуха и выбивание теплоносителя г2, неравномерность температурного поля z3. Величины Z \ , z2, г3 определяют характеристику конструкции сушильной установки. Кро­ ме того, в группу Z входит г4, определяющая инерцию регулирующих систем и управляющих воздействий ЭВМ.

На выходе из сушильной установки выходными пара-

Рис. 9.3. Блок-схема сушильного процесса

X — контролируемые нерегулируемые параметры; Н — контролируемые и ре­ гулируемые параметры; Я, — параметры, характеризующие сушильный агент; Яа — параметры, характеризующие взаимодействие сушильного агента с ма­

териалом; Z — возмущающие^ воздействия (входные неконтролируемые и не­ регулируемые параметры); У —выходные параметры материала после сушки

метрами_ будут: ри, Ли, £Ль си, /?и, Тп. Обозначим эту группу У (выходные параметры материала).

По рассмотренной блок-схеме (см. рис. 9.3) для про­ цесса, который происходит при сушке, можно записать общую функциональную зависимость

dU/dt=f(p, X, су Uy R, Rv, Ту Тсйу <рса, а, Р, t).

Подвергая анализу технологическую часть установки, возмущающие воздействия 2 отбрасывают. Эти пара­ метры учитывают при разработке систем автоматическо­ го регулирования.

По рассмотренной блок-схеме можно решать много задач. Однако нас интересует оптимизация процесса сушки изделий.

Для упрощения изображенной на рис. 9.3 блок-схемы проанализируем переменные, вошедшие в это уравне­ ние. 1. Величины а, р, <рса зависят ог величин Тся и t>ca, поэтому, оставляя Тса и уСа, параметры а, р, qpca можно исключить. 2. Величина Rv— постоянная для садки изделий, величина X— функция плотности р и влагосодержания; температура входящего изделия Т то-

Ри

же постоянна, поэтому параметры RV) К Т тоже исклю­ чаются.

Таким образом упрощенную для анализа структур­ ную блок-схему сушильного процесса можно предста­ вить на рис. 9.4.

Упрощенная структурная блок-схема работы сушиль­ ной установки дает возможность решать несколько за­ дач, при этом можно переносить какую-то часть входных нерегулируемых параметров в группу регулируемых. Например, вводя различные пластифицирующие добав­

регулируемые группы Н. Если, например, мы хотим про­ цесс оптимизировать по сроку сушки t, то должны зна­ чение срока сушки t перенести из параметров группы П в параметры группы F, тогда t будет критерием опти­ мизации.

9.2.1. Разработка математической модели системы: материал — сушильная установка

Разработку математической модели начинают с вы­ полнения по блок-схеме физической модели. В простей­ шем случае в качестве физической модели можно взять существующую лабораторную конвективную сушильную установку. Для проведения эксперимента необходимо уточнить масштаб лабораторной установки по отноше­ нию к промышленной установке, в этом же масштабе изготовить модельное изделие. Далее в лабораторной установке для проведения экспериментов создают в со-

ответствии с теорией подобия модельный процесс теп­ ловой обработки.

Разработку математической модели ведут по сле­ дующей схеме: выбор метода исследования (структур­ ный или кибернетический); составление рабочей блоксхемы и установление параметров, определяющих ход процесса; выбор интервалов варьирования и матрицы планирования эксперимента; проведение эксперимента; анализ и обработка экспериментальных данных; состав­ ление уравнений, регрессии; анализ полученных уравне­ ний. Уравнения регрессии, решенные в отношении ^лю­ бого выходного параметра материала # м, IJM= f(X H )9 и будут математической моделью системы. Полученные данные — формально-знаковое описание объекта — мож­ но переносить с учетом теории подобия на промышлен­ ную установку.

На составленной блок-схеме (см. рис. 9^4) имеется четыре входных неуправляемых параметру Х9 три вход­ ных управляющих процессом параметра Н и четыре вы­ ходных, определяющих свойства изделия после сушки, параметра F. Чтобы избежать длительного системного изучения процессов, проходящих внутри изделий, прини­ мают кибернетический метод исследования такой систе­ мы. Далее, чтобы получить информацию, связывающую выходные и входные параметры, необходимо исследо­ вать (проведением эксперимента) эти зависимости. Та­ ких зависимостей очень много, поэтому прибегают сна­ чала к ранжированию параметров — делению входных и выходных параметров на значимые и мало значимые.

Ранжирование параметров ведут экспериментально либо по литературным данным. Из последних известно, что для описания процесса сушки в качестве основных параметров на входе выбираются: начальное влагосодержание материала U0i температура Тса и скорость движения по установке поступающего сушильного аген­ та Uca*

Для планирования эксперимента обозначим эти па­ раметры соответственно Х\, Х2, ^з-

В качестве выходных параметров, подлежащих опре­ делению, также по литературным данным выбирают предел прочности материала при изгибе (сжатии) /?„ и длительность сушки t. Эти выходные параметры обозна­ чают соответственно У\ и У2. В этом случае рабочая

Рис. 9.5. Рабочая блок-схема сушильного процесса

вычислительной техники и программирования). Выбрав исходный нулевой уровень Х/0, интервал варьирования ДХ/, верхний (+1) и нижний (—1) уровни варьирова­ ния получают путем прибавления значения интервала варьирования к нулевому уровню или вычитания интер­ вала варьирования из нулевого уровня. Полученную информацию по условиям планирования эксперимента сводят в таблицу. В табл. 9.1 даны примерные величины сушки керамических изделий.

Взаимосвязь между натуральными Xi и кодирован­ ными значениями факторов Xi определяют по формуле

При изучении простейших тепловых процессов чаще имеют место линейные и неполные квадратичные зави­ симости между входными и выходными параметрами, нахождение которых связано с проведением полного факторного эксперимента (ПФЭ).

Рис. 9.6. Пример упрощенного алгоритма для определения коэф­ фициентов в уравнении регрессии трехфакторного эксперимента

те. Определяют коэффициенты линейных членов урав-

N

нений: bt = ( ^ x ^ y ^ / N , где х{п — значение t-ro фак-

1

тора в п-м опыте. Коэффициенты парных взаимодей- ,v

СТВИЙ bij= х 1п х /п Уп ) j N >

1 где х/п — значение у-го фактора в п-ом опыте.

Для расчета проведенных экспериментальных иссле­ дований на ЭВМ составляются алгоритмы с целью оп­ ределения коэффициентов в уравнении регрессии, про­ верки значимости полученных коэффициентов по крите­ рию Стьюдента. Проверку адекватности полученных уравнений регрессии ведут по критерию Фишера, также составляя для этого алгоритм. Пример упрощенного ал­ горитма для определения коэффициентов в уравнении регрессии дан на рис. 9.6.

При централизованной обработке результатов экспе­ риментальных работ на вычислительном центре следует применять стандартные программы.

9.2.2.Анализ математических моделей,

иоптимизация процесса сушки

Полученные уравнения регрессии необходимо про­ анализировать. Легче всего анализу поддаются линей­ ные модели. При коэффициенте знаки показывают: (+ ), что с увеличением фактора значение соответствующего выходного параметра увеличивается, а (—), что оно убывает. Чем больше значение коэффициента, тем силь­ нее влияние фактора. Если необходимо получить макси­ мальное значение выходного параметра, значения всех факторов, коэффициенты bi которых имеют знак (+ ), следует принимать максимальными, а значения факто­ ров, коэффициенты bi которых имеют знак (—) — мини­ мальными. Абсолютные значения коэффициентов урав­ нений регрессии увеличиваются с увеличением интерва­ лов варьирования.

В неполных квадратичных уравнениях регрессии знак перед коэффициентом линейного числа соответству­ ет направлению изменения выходного параметра при условии, что другие факторы приняты на основном уров­ не. Знак (+ ) перед коэффициентом взаимодействия свидетельствует о том, что увеличение выходного пара­ метра возможно в том случае, если взаимодействующие факторы находятся одновременно на верхнем или на нижнем уровне, а знак (—) о том, что один фактор на­ ходится на верхнем, а другой на нижнем уровне.

Задачи оптимизации заключаются в нахождении такого сочетания факторов, которое обеспечивает макси­ мальное (минимальное) значение выходного параметра. Часть параметров в этом случае может выступать в ка­

х2у Хъ. Полученная система линейных уравнений прирав­ нивается к нулю. Путем ее решения находят значение А/, обеспечивающее экстремальное значение у. Подстав­ ляя найденные значения А/ в исходное уравнение, опре­ деляют экстремальные значения выходного параметра.

9.3. Сушильные установки

Сушильными называют установки, в которых тепло­ вые процессы связаны с удалением влаги, химически не связанной с материалом.

Классифицировать их можно по различным призна­ кам: по режиму работы — периодические и непрерывные,

контактные, радиационные; по способу движения тепло­

по виду обрабатываемого материала: сушилки для сус­ пензий, кусковых и сыпучих материалов, сформованных изделий.

9.3.1. Сушилки для суспензий

Для сушки суспензий типа глиняного шликера при­ меняют башенные распылительные сушилки (рис. 9.7). Материал — суспензию с помощью форсунок 4 дисперги­ руют в потоке сушильного агента, циркулирующего в корпусе установки 5. Для распыления применяют меха­ нические и центробежные форсунки и центробежные дисковые распылители. Сушильный агент из топки 1 по каналу 2 подается в сушилку с температурой 973— 1073 К.

Взаимодействие сушильного агента и струй шликера при турбулизации потока приводит к быстрому испаре­ нию влаги. Частицы глины или другого компонента суспензии, вращаясь в потоке сушильного агента, уда­ ряются о стенки корпуса, теряют скорость и выпадают в нижнюю, конусную, часть корпуса, снабженную челюст­ ным затвором. По мере заполнения нижней части кор­ пуса материалом затвор открывают, и готовую продукцию выгружают на конвейер 9. Отработанный сушильный агент через вмонтированный в нижнюю часть корпуса трубопровод 6 отбирается, поступает в циклон 7 для очистки, затем выбрасывается вентилятором 8 в атмо­ сферу.

Кроме рассмотренной башенной распылительной су­ шилки с выносной топкой (тепловым генератором) вы­ полняют сушилки с сжиганием топлива непосредственно в сушильном объеме, для чего камеру оснащают газо­ выми горелками. Удельный расход теплоты для таких сушилок составляет 5000—6000 кДж/кг испаренной вла­ ги. Влажность суспензий на входе составляет 45%, влажность выгружаемого порошка 8—10%.

Башенные распылительные сушилки, кроме их оцен-

Рис. 9.7. Схема башенной распылительной сушилки

ки по расходу теплоты, оценивают по количеству испа­ ряемой влаги в 1 ч с 1 м3 сушильного объема. Указан­ ная величина оценивается в 5—20 кг/(м3-ч). Отсюда подбор сушильных установок для суспензий может быть осуществлен по формуле

9.3.2. Сушилки для кусковых и сыпучих материалов

Для сушки кусковых и сыпучих материалов в про­ мышленности строительных материалов широко приме­ няют барабанные сушилки (рис. 9.8). Они просты в об­ ращении, надежны в эксплуатации и достаточно эко­ номичны.

Барабанная сушилка состоит из теплового генерато-

pa /, где готовится .сушильный агент с температурой 973— 1073 К, и металлического барабана 6, в котором и производится сушка материала. Барабан удерживается

шестерня 7 с помощью электропривода позволяет вра­ щать его.

Для исключения подсосов наружного воздуха концы барабана установлены в концевых камерах 3, 8 и снаб­ жены уплотнительными кольцами 4. Камера 3 предназ­ начена для подачи через нее материала и теплоносителя (при работе по принципу прямотока). Камера 8 служит для выгрузки готовой продукции через челюстный затвор 12 на транспортирующее устройство 11 и для отбора из нее отработанного сушильного агента.

Материал непрерывно питателем подается через во­ ронку 2, попадает в барабан, заполняя его на 12— 15%. и продвигается за счет наклона и вращения барабана к выгрузочному концу. Выгрузка также идет непрерывно. Сушильный агент с температурой 973—1073 К подается в барабан либо навстречу движению материала (по прин­

танный теплоноситель проходит очистку в циклоне 9 и выбрасывается в атмосферу вентилятором 10.

Сушильные барабаны, как и сушилки для суспензий, подбираются из расчета созданного в них объемного на­ пряжения по влаге. Для выбора используют формулу (9.4). Однако допустимое количество испаряемой влаги №у в них значительно выше, например для сушки песка Ц7у= 50 кг/(м3-ч), для сушки щебня Й7у = 100 кг/(м3-ч).

Удельный расход теплоты составляет 4200—5800 кДж/кг испаряемой влаги.

Установка для сушки материала в кипящем слое. Сушка в кипящем слое — наиболее перспективный спо­ соб сушки кусковых и сыпучих материалов. При таком способе сушки коэффициент теплоотдачи от теплоноси­ теля к материалу в 8—10 раз больше, чем в барабанных сушилках, а время сушки (например, песка) исчисляет­ ся секундами.

Рассмотрим конструкцию простейшей установки для сушки сыпучих материалов в кипящем слое (рис. 9.9). Установка состоит из сушильной камеры 2, оснащенной решетками, выполненными в виде наклонных ступеней, по которым передвигается материал. Материал на сушку непрерывно подается шнековым питателем 5 с помощью конвейера 6. Сушильный агент готовится в тепловом ге­ нераторе 1 с температурой порядка 473 К и подается под решетку 3 нижнего яруса. Проходя через отверстия решетки, сушильный агент поступает в слой со ско­ ростью, равной скорости витания частиц среднего диа­ метра, и создает кипящий слой для окончательного вы­ сушивания уже прошедшего частичную сушку на верх­ ней решетке материала.

Далее сушильный агент повторяет свою работу на верхней решетке и отработанный через трубопровод 4 поступает в циклон 7. В циклоне 7 отработанный су­ шильный агент очищается от унесенных частиц материа­ ла и через трубопровод 8 вентилятором 9 выбрасывает­ ся в атмосферу. Материал, передвигаясь по наклонной верхней решетке, попадает на нижнюю решетку, пере­

двигается по ней, окончательно высушивается и выгру­ жается через выгрузочное устройство 11 на конвейер 10. На этот же конвейер выгружается материал из циклона. Использование двухъярусного принципа кипящего слоя позволяет уменьшить количество уносов, ибо на верхней решетке находится более влажный материал.

Подбор установок для сушки материала в кипящем слое производят из расчета удельного объемного напря­ жения по влаге, которое для таких установок составляет 150—200 кг/(м3*ч). Плоскостное напряжение (допусти­ мый съем влаги с 1 м2 решетки в час) составляет 800— 1000 кг/(м2-ч), а расход теплоты 4000—5000 кДж/кг ис­ паряемой влаги.

Более крупные кусковые материалы сушат в установ­ ках виброкипящего слоя, ибо создавать скорость вита­ ния для таких материалов экономически нецелесообраз­ но. Воздействуя на решетку вибратором, можно полу­ чить подобие кипящего слоя, а стало быть, и все тепло­ технические выгоды от его применения.

9.3.3. Установки для сушки сформованных изделий

Камерные сушилки впервые стали применять в кир­ пичном производстве.

Камерные сушилки — сушилки периодического дейст­ вия (рис. 9.10). Камера 1 имеет десять рядов кирпичных выступов 2, на которые помещается десять полок 3 с кирпичом-сырцом. Загрузка камеры осуществляется дви­ гающейся по рельсам десятиполочной загрузочной ваго­ неткой, которая заезжает в камеру, опускает на кирпич­ ные выступы 2 десять полок с кирпичом-сырцом и от­ правляется за следующей партией. Так повторяется до загрузки всей камеры.

Камера имеет высоту 3,5 м, длину 10—13 м. Камеры строятся блоками по 20—30 шт. Ниже уровня пола ка­ мера перекрыта двумя деревянными решетками, через которые подводится теплоноситель по каналам 4. Отра­ ботанный теплоноситель отводится по одному каналу, также перекрытому решеткой. Блоки работают на продуктах горения топлива и имеют централизованное снабжение сушильным агентом. Продукты горения через каналы 4 попадают в камеру и так как они легче воздуха, занимающего объем камеры, поднимаются вверх (по­ казано стрелками) до тех пор, пока их температура не

Рис. 9.10. Схематический раз­ рез камерной сушилки перио­ дического действия

сравняется с температурой продуктов горения и воздуха в камере.

Далее отработанный сушильный агент начинает дви­ жение вниз и отбирается из камеры через канал 5. Сме­ шивание восходящих и нисходящих потоков вызывает многократную циркуляцию и достаточно равномерную сушку кирпича-сырца, которая длится 2—3 сут, после чего кирпич выгружается. Удельный расход теплоты ка­ мерных сушилок составляет 4200—6300 кДж/кг испаряе­ мой влаги.

Камерные сушилки применялись в производстве кир­ пича до 1930-х годов, затем стали вытесняться туннель­ ными. Однако принцип циркуляции газов, характерный для камерных сушилок, используется и в современных сушилках.

Туннельные сушилки. На рис. 5.3,6 рассмотрена схе­ ма аэродинамического баланса и диаграммы сопротив­ лений туннельной сушилки. Рассмотрим принцип ее ра­

боты.

Кирпич-сырец укладывают на полочные вагонетки (один ряд на полку; при высокой прочности сырца мо­ жет быть бесполочная его укладка в шесть — восемь ря­ дов), и он поступает в сушильный туннель. Туннель снабжен входной и выходной дверью, имеет ширину

1,2 м, высоту 1,4 и длину 30 м. Для загрузки открывают обе двери и с помощью толкателя подают вагонетку в туннель, продвигая весь поезд на одну позицию. Одно­ временно из туннеля выходит вагонетка с готовой про­ дукцией. Через определенный интервал (30—40 мин) операция повторяется.

Для сушки сырца в туннель подается сушильный агент — продукты сжигания природного газа или нагре­ тый воздух. Движение сушильного агента производится за счет отрицательного давления, создаваемого вентиля­ тором (см. рис. 5.3). Теплоноситель продвигается по туннелю в результате динамического напора а2р/2.

Таким образом, аэродинамика туннельной сушилки коренным образом отличается от камерной, где исполь­ зуется естественная циркуляция. Принудительное дви­ жение сушильного агента по туннелю позволило сокра­ тить срок сушки с 2—3 сут (в камерных) до 36—48 ч (в туннельных). С уменьшением срока сушки до 24— 30 ч стало заметно ухудшаться качество продукции. Удельный расход теплоты в туннельных сушилках был несколько снижен до 3800—4800 кДж/кг испаряемой влаги.

Развитие промышленности строительных материалов потребовало поиска новых конструктивных решений су­ шилок. В последнее время в этом отношении определи­

за счет увеличения скорости сушильного агента без рас­ слоения температур получить хорошее качество изделий.

В промышленности, особенно за рубежом, появилось много различных конструкций сушилок периодического и полунепрерывного действия со сложной циркуляцион­ ной системой. Принцип создания непрерывной попереч­ ной циркуляции сушильного агента позволяет значи­ тельно уменьшить недостатки обычных туннельных су­ шилок.

Туннельная сушилка с принудительной циркуляцией

конструкции института Союзгипростром (рис. 9.11) предназначена для сушки керамических камней и кир­ пича. Длина 3-путного туннеля 43,5 м; ширина 6 м; вы­ сота 2,2 м. Сушилка разделена на две зоны; первая за­ нимает 2/3 длины туннеля, вторая 1/3. Срок сушки 32 ч.

Рис. 9.11. Схема типовой сушилки с принудительной циркуляцией конструк­ ции Союзгипрострома [продольный (а), поперечный (б) разрезы]

Работает сушилка на теплоносителе, представляю­ щем собой смесь нагретого воздуха, поступающего из зоны охлаждения печи, наружного воздуха и рециркулята. Теплоноситель готовится в тепловом генераторе I и вентилятором 2 подается в раздаточный короб 3 пер­ вой зоны. Из раздаточного короба по трубопроводам 4 теплоноситель поступает в верхний канал 6Уоткуда осе­ выми вентиляторами 5, расположенными над каждым рядом трех вагонеток, осуществляется непрерывная по­ перечная циркуляция теплоносителя сквозь садку изде­ лий. Для выравнивания скоростей циркуляционных по­ токов по всей высоте садки изделий предусмотрены на­ правляющие (распределительные) дефлекторы 14.

Направление поперечной циркуляции на рис. 9.11,6 показано стрелками. Часть отработанной смеси тепло­ носителя, имеющей более низкую температуру и высо­ кое влагосодержание, опускается вниз и попадает в от­ сасывающие каналы /3, откуда через сборный канал 12, трубопровод 11 забирается вентилятором 8 и выбрасы­ вается в атмосферу.