pdf.php@id=6178

При проведении кинетических расчетов влагосодержания

где t — температура материала в данной точке, К; т — время, с; ат— коэффициент температуропроводности, м2/с; с — теп­ лоемкость материала, Дж/(кг-К); е — критерий фазового пере­ хода; гс — скрытая теплота испарения, Дж/кг; U — влагосодержание материала в данной точке, кг/кг; а„, — коэффициент диффузии влаги, м2/с; г — текущий линейный размер, м; Г — фактор формы (для пластины Г = 0, цилиндра Г = 1, шара Г = 3); 5 — коэффициент термовлагопроводности, 1/К.

Решение в общем виде затруднено, поэтому воспользуемся решениями для одномерной задачи (пластина) со следующими

рии диффузии влаги (а,п/ая) Кассовича, Кирпичева, Поснова. Начальные условия:

U = (х, 0) = U0 = const, Т = (х, 0) = Т0 = const.

Решение дает:

271

D 9 _/ ,ч / ( V ,2 - 1 + E ) K 0 L M

Расчетные и экспериментальные значения кинетических кривых сушки приведены на рис. 132, 133. Подвод энергии осуществляется радиационно-конвективным методом. Из по­ лученных результатов следует:

—наблюдается удовлетворительное совпадение расчетных

иэкспериментальных значений влажности порохового полу-

Рис. 132. Вычисленные (Г, 2*) и экспериментальные (1, 2) значения кри­ вой кинетики сушки (топливо РБФ, р = 1,4'Ю3 кг/м3):

1 - Тв = 100вС; 2 — Тв = 90“С

272

Рис. 133. Вычисленные (Г, Т ) и экспериментальные (1, 2) значения ско­

рости сушки (топливо РБФ, р = 1,4-103 кг/м3): 1 - Т„ = 100°С; 2 — Т„ = 90вС

— по скорости весь процесс сушки можно условно разде­ лить на три периода: с большой скоростью, с падающей ско­ ростью и с малой скоростью сушки, соответствующие физи­ ко-механической и физико-химической связи влаги с материа­ лом;

— интенсивность существующего процесса сушки невысо­ ка, время сушки до необходимой влажности около 60 минут.

Поиски конструктивных решений задачи основывались на следующей принципиальной закономерности:

В каждый данный момент процесса сушки все параметры, определяющие ее скорость, изменяются. Из дифференциаль­ ных уравнений, приведенных выше, можно вывести только общие закономерности, определяющие степень влияния каж­ дого параметра. С точки зрения скорости процесса имеет зна­

273

чение не только абсолютная величина этих параметров, но и направленность векторов градиентов температуры и влагосодержания.

На рис. 134 приведено принципиальное изображение этих векторов, представляющее наиболее типичные варианты орга­ низации промышленного процесса сушки:

—градиенты имеют противоположное направление. Это имеет место во всех типах применяемых сушилок, в которых энергия к высушиваемому элементу массы подводится извне;

—температурный градиент близок к 0, что характерно для последнего периода сушки в сушилках с интенсивным тепло­ вым потоком извне;

—оба градиента однонаправлены и способствуют интен­ сивной диффузии и термодиффузии влаги в материале. Такое распределение в полуфабрикате влаги и температур характерно для подвода энергии внутрь материала (химический, диссипа­ тивный разогревы и высокочастотный нагрев).

Совпадение направлений диффузии влаги под действием градиента влагосодержания и термодиффузии под действием теплового потока резко ускоряет процесс сушки. Так, сушка на вальцах с 8...12% до 1,5...2,5% проводится в течение 3...5 минут, а в сушилках радиационно-контактного типа (шнеко­ вая, барабанная) с 1,5...2,5% до 0,3...0,8% — 60...90 минут.

274

Итак, первым техническим решением по интенсификации сушки порохового полуфабриката является изменение направ­ ления теплового потока в материале на противоположное с реализацией положительного температурного градиента. Но скорость сушки определяется не только диффузией влаги внутри материала, но и испарением и перемещением влаги с поверхности материала в окружающую среду через так назы­ ваемый пограничный слой, расположенный у поверхности ма­ териала.

На границе поверхности материала с окружающей средой имеет место уравнение баланса влаги:

где а\х — коэффициент влагообмена, отнесенный к разнице химических потенциалов; р,,, рс — химические потенциалы со­ ответственно на поверхности и в окружающей среде; jn — ин­ тенсивность испарения.

Для установившегося процесса в изотермических условиях разность химических потенциалов может быть заменена разно­

где ар _ коэффициент влагообмена, отнесенный к разности парциальных давлений; Р1п, Р1с — парциальные давления пара соответственно поверхности и среды.

Приведенная формула Дальтона является приближенной и справедлива, строго говоря, только для стационарного про­ цесса влагопереноса (в периоде постоянной скорости).

Для периода падающей скорости влагообмен с окружаю­ щей средой определяется по следующей формуле:

где р — коэффициент влагообмена, отнесенный к разнице влагосодержаний, м/с; UP — равновесное влагосодержание.

Таким образом, интенсивность испарения влаги с поверх­ ности высушиваемого материала в окружающую среду зависит от градиента давления пара или влагосодержания между по­ верхностью материала и окружающей средой.

Следовательно, вторым техническим решением по сокра­ щению времени сушки является снижение парциального дав­ ления или влагосодержания пограничного слоя и окружающей среды.

Инженерные разработки проводились в двух направлениях:

275

— повышение скорости сушки при вальцевании и, собст­ венно, сушки за счет совершенствования существующих тех­ нологических процессов и оборудования;

—создание принципиально нового процесса переработки, имеющего значительно более высокие технико-экономические показатели.

По первому направлению в конструктивном плане были использованы два вышеуказанных технических решения:

—для снижения влагосодержания в окружающей среде был применен обдув поверхности «чулка» на вальцах и «таб­ летки» в сушилке потоком воздуха с заданными тепло-влажно­ стными параметрами;

—для ускорения термодиффузии внутри высушиваемого пороха был увеличен температурный градиент за счет охлаж­ дения поверхности «чулка» воздухом, а при сушке порохового полуфабриката после вальцев применен осциллирующий ре­ жим (нагрев —■охлаждение), обеспечивающий изменение на­ правление вектора температурного градиента на противопо­ ложное.

На рис. 135, 136 схематично показаны новые вальцы 1500 660/660 и модернизированная сушилка СШТС с более интен­ сивным тепло-массообменом в сравнении со старыми аппара­ тами. В табл. 25 приведены сравнительные характеристики ап­ паратов.

276

Рис. 135. Вальцы 1500 660/660:

1 — загрузочное устройство; 2 — узел механизированного съема «чулка»; 3 — система обдува воздухом; 4 — узел регулирования зазора; 5 — уст­ ройство замера зазора; 6 — узел смыва россыпей

277

1 . Загрузка

Воздух на очистку

Рис. 136. Сушилка СШТС модернизированная:

1 — управляемый привод; 2 — система нагнетания нагретого воздуха; 3 — система отсоса воздуха на очистку; 4 — узел промывки желобов и шне­ ков; 5 — секции сушилки; 6 — межсекционные перегружатели

Вальцы 1500 660/660 имеют более высокую в сравнении со штатными производительность за счет большего диаметра вал­ ков и интенсификации тепло-массообмена с окружающей сре­ дой. В конструкцию аппарата внесен целый ряд изменений, затрагивающих как основные рабочие органы (валки, кольца), так и вспомогательные узлы (загрузочное устройство, измере­ ние и регулирование зазора между валками и т. д.), направлен­ ные на повышение безопасности и создание необходимых ры­ чагов управления процессом в автоматическом режиме.

Модернизированная сушилка СШТС-М в отличие от се­ рийной имеет систему регулирования параметров погранично­ го слоя потоком воздуха с изменяющимися температурой и влагосодержанием. За счет интенсификации процесса испа­ рения влаги с поверхности «таблетки» это позволяет сократить время сушки или при прочих равных условиях повысить про­ изводительность с 800 до 1000 кг/ч. Однако в целом вследст­ вие отрицательного воздействия на процесс диффузии влаги температурного градиента (вектор термодиффузии направлен внутрь материала) параметры сушки остаются неоптимальны­ ми, что приводит к большой загрузке аппарата взрывоопас­ ным продуктом.

2 7 8

С целью создания в материале температурного поля с по­ ложительным градиентом были проведены работы по сушке в осциллирующем режиме.

Проведенные ранее работы по сушке в вакууме с нагревом материала в высокочастотном электрическом поле показали, что при совмещении направлений векторов диффузии и тер­ модиффузии и увеличении градиента влагосодержания поверх­ ность материала — окружающая среда время сушки может быть сокращено на порядок. На рис. 137 приведены графики функции W = У(т) при различной глубине вакуума. Очевиден вклад как того, так и другого факторов, обеспечивающих при совместной реализации ускорение процесса более чем на по­ рядок. Однако применение СВЧ-метода нагрева (рис. 138) в промышленности не обеспечивает необходимой безопасно­ сти вследствие существенной зависимости диэлектрических свойств материала от его влажности.

Примененный искусственный прием поворота термодиф­ фузии (осциллирующий метод) существенно проигрывает СВЧ-сушке в вакууме по двум параметрам:

— время нагрева материала за счет теплопотока извне с последующим охлаждением для создания положительного температурного градиента значительно больше;

— градиент влагосодержания поверхность — окружающая среда не увеличивается вследствие невозможности применения вакуума ниже 8 КПа.

Рис. 137. Кинетика сушки в вакууме с нагревом материала в высокочас­ тотном электрическом поле при давлении:

1 — 8,0 кПа; 2 — 16,0 кПа; 3 — 34,7 кПа; 4 — 48,0 кПа; 5 — без вакуума

279

5

Рис. 138. Схема высокочастотной вакуумной сушильной установки:

1 — генератор ЛГД-10А; 2 — фидер; 3 — рабочие электроды; 4 — шнеко­ вые затворы; 5 — вакуумный насос; 6 — вакуумная камера; 7 — конден­ сат влаги

На рис. 139 представлена схема опытного образца сушиль­ ного аппарата, обеспечивающего проведение процесса в вибро­ кипящем слое и в осциллирующем режиме. Вибрация перфо­ рированного поддона, на котором находится полуфабрикат, осу­ ществляется механически. Воздух, поступающий снизу через отверстия поддона, имеет изменяющиеся по пяти зонам пара­ метры (T, W) и обеспечивает как осциллирующий режим про­ цесса, так и в комбинации с вибрацией создает кипящий слой.

В табл. 26 представлены результаты испытаний сушилки КСВР-4 в опытном производстве. Как видно из таблицы,

280