Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

afanasev_a_e_fizicheskie_processy_torfyanogo_proizvodstva

.pdf
Скачиваний:
70
Добавлен:
19.03.2016
Размер:
4.84 Mб
Скачать

111

21. Через 10 ч сушки влага фрезерного торфа уменьшилась с 75 до 50 %. Определить начальную толщину слоя крошки, если плотность слоя при начальной влаге равна 560 кг/м3, а интенсивность сушки –

0,35 кг/(м2·ч).

22.Определить продолжительность сушки мелкокускового торфа ци-

линдрической формы, имеющего диаметр 50 мм, длину 100 мм, плотность 800 кг/м3 при начальном влагосодержании 4 кг/кг. Куски расположены в

один плотный слой. Сушка продолжается до влажности 50 %. Средняя интенсивность сушки 0,5 кг/(м2·ч).

23.Как изменится линейная скорость испарения жидкости при конвективном теплоподводе:

а) при увеличении координаты расположения менисков жидкости в частице торфа с 5 до 14 мм;

б) при изменении относительной влажности воздуха с 0,3 до 0,7 при расположении частиц в один слой.

Предполагается, что испаренная влага переносится через всю частицу

вокружающую среду. Все остальные параметры сушки не изменяются.

3.4. Оптимизация процессов сушки торфа

Условие оптимизации выбора технологической схемы сводится к получению максимально возможных сборов q высококачественной продукции из торфа за минимальное время и выражается из уравнения [7, 16]

q

 

1 Wу

ic k1 max,

k1 ρ 1- n 1 Wу

i

,

(3.68)

 

 

c

 

 

 

 

 

 

 

τ

 

Wн Wк

 

 

γc W

 

 

r2

где – плотность торфа в однофазном состоянии; n f r dr – общая

r1

пористость слоя торфа, (r1, r2 – радиус пор торфа); iс – интенсивность сушки торфа; γс γi 1 Wi – плотность сухой части торфа при влагосодер-

жании Wi; i – то же, влажного торфа; W = Wн – Wк – изменение влагосодержания. Следовательно, k1 max, если ic max, min, ( c, W, n) min.

Это условие общее и относится к производству фрезерного и кускового торфа. Физико-механические свойства формованного торфа (прочность Ri, крошимость) учитываются через изменение n, c, W в формуле (3.68), (см. часть 4). Перспективность технологии выбирается из условия (3.68), а также особенностей строения торфяной залежи и спроса на рынке этого вида качественной продукции. АН СССР (Г. Марчук. Интенсификация экономики и наука // Наука и жизнь. 1985. № 6, 7), а также РАН определяют ее алгоритмом

рынок – наука – технология – производство.

(3.69)

112

Кусковой (формованный) торф в настоящее время преимущественно используется в качестве топлива коммунально-бытовыми предприятиями и населением ( у = 33%), добывается экскаваторным и фрезформовочным способами.

Технологический процесс включает в себя операции по экскавации, переработке и формованию торфа, стилке и сушке кусков, уборке и штабелированию готовой продукции. В процессе сушки выполняется ворочка и валкование кусков. Главной особенностью технологического процесса является переработка торфяной массы и ее формование.

Если фрезерный торф представляет собой мелкораздробленный материал (размер частиц d 25 мм, средний d 10 мм), то кусковой торф имеет d = 15…20 мм (гранулированный), 60 мм (мелкокусковой), до 100…120 мм (экскаваторный) в поперечнике. Длина кусков l = (1,5…2)d. Форма бывает различной, но преобладает цилиндрическая и омегообразная.

Качество готовой продукции, как правило, определяется ее влагой W, зольностью, плотностью (насыпной плотностью), прочностью Ri и крошимостью, засоренностью фрезерного торфа и водопоглощаемостью, а также однородностью торфяного сырья, получаемого при экскавации на всю глубину торфяной залежи (или до глубины hз 4,5 м – экскаваторный, или до hз0,9 м – фрезформовочный), во много раз превышающую глубину фрезерования при фрезерном способе добычи (hф = 0,108…0,03 м).

Готовая продукция хранится на полевых складах (штабелях), которые при определенных условиях могут саморазогреваться и возгораться (фрезерный торф). Их изолируют от атмосферного воздуха слоем сырого торфа (слоем сырой травы – при хранении сена), накрывают полимерной пленкой или пленкообразующим жидким материалом (щелочно-битумная эмульсия), обрабатывают выхлопными газами перед штабелированием (А.Е. Афанасьев, ВНИИТП) или закладывают в середину штабеля низкотемпературные материалы (например лед, сухой лед (А.Е. Афанасьев)) и др. способы. Поэтому выбор технологии в рыночных условиях (3.69) с учетом условия (3.68) уточняется с позиции энергетической теории структурообразования [7, 10].

Из формулы В.В. Романова следует, что

ic = im = RB (3.70)

при условии Р = 0, Ракк = Ргл, что соответствует зоне испарения h = hзи согласно (3.63), а плотность c связана с относительной величиной прочности

Row в уравнении [7]

Ri

 

 

1

 

R

 

 

 

1

 

R

 

1

 

 

 

 

ln

ow

 

 

 

 

ln

ow

 

 

(3.71)

 

 

 

 

 

γi γc 1

λi

Ri

 

ic 1

λi

Ri

VW ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

113

где i – коэффициент структурообразования, 1/ кг(в)/кг(с) ; R0W, Ri – соответственно максимальная (W = 0) и текущая прочность формованного тор-

фа, ic = V ж, V = dx – линейная скорость сушки торфа, м/с. Для кускового

dτ

торфа hзи d/2 (d – диаметр куска). Подставим (3.70) в (3.68) и получим, что

1 Wу

α

 

B

q

m

k

 

(3.72)

 

 

 

 

Wн Wк

R

 

 

m

 

 

τ

 

 

 

 

 

 

отражает потенциальные возможности способа сушки (km ki, qm qi), а их отношение

ki

 

ic

k

 

<1

(3.73)

 

 

м

km

αR B

 

 

 

 

 

определяет использование этих возможностей. Причем в пределах зоны испарения интенсивность сушки может быть выражена через интенсивность влагопереноса (3.44). Чем выше ic , тем меньше прочность частиц (см. часть 4). В технологическом плане повышение сборов q тоже будет тем больше, чем выше hзи. Последняя может быть принята 2 hзи, т.е. подсохший верхний слой переворачивается так, чтобы нижний (сырой) оказался вверху. В этом случае из уравнения (3.63) следует, что Wi = Wн=3 кг/кг ( н = 75%), что соответствует условиям сушки фрезерного торфа в полевых условиях с ворошением. Подставим значение hн = 2 hзи в выражение для сборов торфа:

q= γсhн 1 Wу γс 2hзи 1 Wу ,

апоследнее – в (3.68) и найдем, что максимум интенсивности сушки соответствует максимуму hзи:

hзи

ic τ

 

max

(3.74)

c Wн Wк

 

 

 

при прочих одинаковых условиях. Поэтому уравнение (3.70) характеризует испарение влаги с влажной поверхности и не зависит от hi слоя. Согласно [7] величины

ii

ic

αR B

αR B

hτi

λ

γ

c

т

с

W t

τ

 

α

R

B P

,

(3.75)

c

 

 

в

 

 

 

акк

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

th

 

αR B Pгл

 

 

 

 

 

(3.76)

 

 

 

 

 

 

h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

соответственно определяют ii = f (hi) для толстых (3.75) h hзи и тонких (3.76) h hзи слоев (рис. 3.2). Здесь ст, св – соответственно удельная теплоемкость твердой фазы (ст = 1,97 103 Дж/(кг К)) и воды (св = 4,18 103 Дж/(кг К)). Пересечение этих кривых дает icm = max для реальных влажных пористых сред при h = Hкр, значение которых меньше im = RB. При h > Hкр ic уменьшается из-за снижения теплового потока вовнутрь материала и

114

отражения радиации, вследствие пересыхания поверхностного слоя (рис. 3.2, график 4). Если не проводить ворошение, то при hi = 2 hзи будет уменьшаться icm на iс = icm - ic2 и интенсификация технологии будет затруднена.

Рис. 3.2. Изменение интенсивности сушки ic от толщины сушимого слоя фрезерного торфа: 1 – согласно (3.75), 2 – согласно (3.76), 3 – согласно (3.70),

4 – реальная зависимость

Сборы торфа определяются в зависимости от интенсивности сушки и

толщины расстила [7]:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 W

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i h2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

q

 

c

н

 

 

 

 

у

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

(3.77)

 

 

 

 

 

 

 

а

W

W

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в

 

 

 

н

 

 

к

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а в зависимости от характеристик структурообразования [10]

 

 

 

 

λγ

2

 

E

 

1

 

 

1

 

 

 

 

R

h

 

1 Wу

 

 

q γ

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

ln

1

 

н1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 W

,

(3.78)

 

c1

c2

 

R T

 

 

T

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

н1

 

 

 

 

 

α V

P D m2

=const (м2/с) – приведенный коэффициент диффу-

где а

 

m

s э

в

 

2 R T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

зии влаги; – коэффициент, характеризующий особенности переноса влаги в пористом теле [см. (3.66)] с учетом метеорологических факторов ( ,

Т); – коэффициент структурообразования,

 

dRi

 

1

 

–1

 

 

, (кг(в)/кг(с))

;

dW

Ri

 

 

 

 

 

Е0 – потенциальная энергия взаимодействия в частицах (кусках) торфа; индексы 1, 2 относятся соответственно к слою торфа и его подложке. Остальные обозначения прежние.

115

По глубине зоны испарения x (hзи = const)

Wн Wк

Рс

 

 

i

aв

,

(3.79)

 

 

 

c

h2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

н

 

 

 

откуда следует уравнение

 

 

 

 

ic = – aв c W ,

(3.80)

подобное (3.44) для влагопереноса i = – am c W (Фик) при Т= const. Следовательно, в пределах зоны испарения ic = i. Тогда aв = am = f ( , m) при Wi = const. Как правило, в расчетах процессов сушки [16] применяют am = const при разных Wi, что является приближением в инженерных решениях, т.к. W не входит в aв.

3.4.1. Интенсивность и продолжительность сушки кускового торфа. Расчетные формулы [16]

Интенсивность сушки изменяется по сложной кривой 1 (рис. 3.3). С целью упрощения расчетов эту кривую заменяют прямой, соединяющей точку приведенного критического влагосодержания Wкп с равновесным влагосодержанием Wp. В этом случае интенсивность сушки в убывающем периоде (W < Wкп)

 

 

 

 

iу iп

W Wр

,

 

 

 

(3.81)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W

W

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

кп

р

 

 

 

 

 

где

iп

интенсивность сушки

в

постоянном

периоде (W

Wкп);

Wр – равновесное влагосодержание (приложение 3.5).

 

 

 

Интенсивность сушки в постоянном периоде

 

 

 

 

 

 

 

iп α iи А Kс ехр( β Kс ) ,

 

 

(3.82)

где

 

постоянная

испарителя;

iи

испаряемость;

А

постоянная

формы

 

куска;

 

Кс

критерий

слоя;

– величина, зависящая от качества торфа (усадки).

 

 

 

Величина для белого кварцевого песка, засыпаемого в сосуд глубиной примерно 50 мм, равна 0,588. Для черного песка (аналогично пескам

евпаторийских

 

 

 

 

 

 

пляжей)

= 0,525.

 

 

 

 

 

 

 

Произведение А Кс

равно

отношению

геометрической

поверхности

кусков торфа Fн к площади поля сушки Fп, на которой они расположены,

т.е.

 

 

 

 

 

 

 

 

Fн

АКс

 

Рс (1 W )

 

fг

,

(3.83)

 

 

 

 

 

Fп

 

 

fi

Vг

 

где fг, Vг – собственно геометрическая поверхность, объем отдельного куска; значение колеблется в пределах 1,1…0,75 и определяется величиной

 

 

 

116

усадки торфа

β

2,5

 

, где Kус – среднее значение объемной усадки

 

 

2,2 K

 

 

 

ус

торфа, зависит от качественной характеристики залежи и степени переработки торфа; принимается по данным приложения 3.6.

Рис. 3.3. Схема расчета интенсивности сушки кускового торфа

Продолжительность сушки кускового торфа в постоянном периоде

τп

Рс

 

Fн

Wн W Kз ,

(3.84)

 

 

 

iп

F

 

где п – продолжительность сушки торфа от начального Wн до текущего W влагосодержания, причем W Wкп; Fн – начальная площадь поверхности куска; F – средняя площадь поверхности куска в диапазоне влагосодер-

жаний Wн и W; Кз – коэффициент удлинения сушки за счет влагообмена куска с влажной залежью (приложение 3.7). Отношение F/Fн = KF показывает изменение площади поверхности куска в процессе сушки и рассчитывается по формуле

 

 

0,5K ус Wн Wкп

 

2

 

KF 3

 

1

.

(3.85)

 

1 K ус Wн

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Продолжительность сушки кускового торфа в убывающем периоде

τ

 

 

Pс

 

Fн

W W

ln

Wкп Wр

K

з ,

(3.86)

у

 

 

 

 

 

iп

 

Fу

кп р

 

Wк Wр

 

 

 

 

 

 

 

 

4am c
αR B P dн

117

где FУ – средняя площадь поверхности куска в диапазоне влагосодержа-

ний от Wкп до конечного Wk. Отношение

Fу

 

 

 

1 0,5K ус Wк Wкп 2

 

 

3

 

 

.

 

 

Fн

KF

 

1 K ус Wн

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приведенное критическое влагосодержание

 

 

 

4

iп dн 1 Wн

 

 

Wкп

Wп

B

105

0,9 ,

 

 

 

 

 

 

π A γн

 

(3.87)

(3.88)

где Wп – среднее влагосодержание верхнего слоя куска, кг/кг; В* – величина, обратно пропорциональная коэффициенту диффузии, ч/м2; н – плотность куска при начальном влагосодержании, кг/м3; dн – начальный диаметр (высота) куска, м. Значения Wп и В в зависимости от качественной характеристики залежи приведены в приложении 3.6.

Как следует из уравнения (3.44) или (3.80), dW ic dx , после ин-

am c

тегрирования которого от W = Wкр до Wп для x = d/2 (центр цилиндриче-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

d 2

ского образца) при ic = iп и осреднения функции

W

 

W (x)dx , полу-

d 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

чаем [10], что

 

iпdн 1 Wн

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W W

W

в

 

 

 

 

(3.89)

 

 

 

 

 

 

 

 

кп

п

4am γн

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

практически не отличается

от эмпирического

 

выражения (3.88), где

B

1

= 0,34…0,26 ч/м2, а коэффициенты

4

 

 

1

 

. Здесь А = 5,33 – коэф-

 

πА

4

 

 

am

 

 

 

 

 

 

 

фициент формы цилиндрического куска (для омегообразного А = 5, прямоугольного – 4,5, шарового – 6, кубического – 6). Коэффициент в характеризует W, при котором W 0 по высоте образца (d 5…7 мм). Это условие выполняется, если испарение влаги происходит из всего объема образца,

т.е. hзи d/2.

В случае радиационного теплоподвода с учетом зависимости В.В. Романова (3.75), (3.76) и (3.89)

Wкп Wп

растет с повышением В и dн при прочих одинаковых условиях. Величина Wп = 1,67…1,03 кг/кг. Проверка уравнений (3.88) и (3.89) выполнена в [16]

 

i d

н

 

в виде Wкп

 

п

 

 

 

f

c

 

.

 

 

 

 

(3. 93)

118

Если конечное влагосодержание Wк меньше критического Wкп, что в подавляющем большинстве и бывает, то общая продолжительность сушки от начального влагосодержания до конечного

о = п + у . (3.90)

Зависимость интенсивности и продолжительности сушки торфа от почвенно-природных факторов определяется величинами , Кз, КF и КF , а также Wп и В*. С увеличением , т.е. степени разложения торфа, его степени переработки и, в конечном итоге, коэффициента объемной усадки, интенсивность сушки в постоянном периоде возрастает. Обусловлено это некоторым изменением альбедо поверхности куска и расположением частиц торфа на поле сушки относительно друг друга.

Зависимость интенсивности сушки в постоянном периоде от метеорологических условий определяется величиной iи в формуле (3.82). Как было показано ранее, испаряемость iи при конвективном режиме зависит от температуры и относительной влажности воздуха и скорости ветра, а при радиационно-конвективном – от солнечной радиации.

Зависимость интенсивности и продолжительности сушки от технологических факторов и параметров определяется формой и размерами куска А, d, степенью переработки торфа (kус), условиями расположения кусков на поле сушки kс и их сочетаниями.

Осадки увлажняют и разрушают куски торфа, вследствие чего необходимо время для удаления поглощенной торфом воды. Продолжительность сушки ос с учетом выпадающих в период сушки hос осадков определяется по формуле

ос = о

 

hос kос

,

(3.91)

 

 

 

iп

 

где kос – коэффициент поглощения осадков.

Формулу (3.91) можно использовать, если заранее известно количество осадков. Если их предварительно определить нельзя, то можно применить формулу со средними многолетними данными по испаряемости и осадкам:

 

 

iп

 

 

,

 

ос = о i

k

 

k

 

(3.92)

 

 

 

 

п

 

h

 

ос

 

где kh – среднесуточное количество осадков в течение сезона (май-август). Значения iи и kh приведены в приложении 3.8.

Интенсивность сушки кускового торфа с учетом осадков

iс Wн Wк Рс kосhос . τос

119

3.4.2. Примеры решения типовых задач по кусковому торфу

Пример 1. Определить интенсивность сушки в постоянном периоде кускового торфа шаровидной формы, уложенных на поле сушки в один плотный слой, если испаряемость iи = 0,412 кг/(ч м2), коэффициент объемной усадки kус = 0,380.

Критерий слоя, как следует из формулы (3.82), есть отношение толщины h плотного слоя торфа к диаметру шара, т.е. в нашем случае

16 πd 3 d 2h ,

или

kc dh π6 .

Постоянная формы А для шара определяется из соотношения

 

πd 3

 

d

, т.е. А = 6.

 

πd 2 6

6

 

 

2,2 0,380 = 0,97.

Величина β 2,5

Интенсивность сушки в постоянном периоде

iп

0,588 0,412 6

 

 

0.97

 

2

).

 

exp

 

0.458 кг/(ч м

 

 

6

 

 

6

 

 

Пример 2. Определить интенсивность сушки кускового торфа в постоянном периоде при условиях: iи = 0,425 кг/(ч∙м2); kс = 0,8; = 0,95; кусок цилиндрической формы диаметром 60 мм и длиной 120 мм.

Постоянная формы определяется из отношения объема куска к его поверхности:

 

 

 

 

πd

2

l

 

 

 

V

 

 

 

 

 

 

d

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

F

2

πd 2

πdl

5

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следовательно, А = 5. Интенсивность сушки iи = 0,586 0,425 5 0,8 е-0,95 0,8 = 0,468 кг/(ч∙м2).

Пример 3. Продолжительность сушки кускового торфа диаметром 50 мм в постоянном периоде равна 30 ч. Чему равна она при сушке кускового торфа диаметром 75 мм, если в обоих случаях kс = const, Wн и Wк одинаковы?

При kс = const интенсивность сушки в постоянном периоде не зависит от размеров куска. Так как масса куска прямо пропорциональна третьей степени линейного размера, а поверхность - второй степени, то для нашего случая продолжительность сушки пропорциональна размерам куска:

τп 30 5075 45 ч.

120

Пример 4. Интенсивность сушки в постоянном периоде равна 0,36 кг/(ч·м2). Чему равна интенсивность сушки в убывающем периоде при W = 1,2 кг/кг, если критическое влагосодержание равно 2,2 кг/кг, а равновесное – 0,2 кг/кг?

Интенсивность сушки в убывающем периоде

iу 0,36 1,2 0,2 0,18 кг/(ч∙м2). 3,2 0,2

Пример 5. Рассчитать продолжительность сушки кускового торфа в постоянном периоде от Wн = 4,6 кг/кг до Wк = 1,5 кг/кг, если плотность торфа в начале сушки равна 920 кг/м3, влага верхнего слоя залежи – 80 %. Остальные данные принять из примера 1.

Удельная загрузка поля сушки торфом

Pc Kc

 

 

γнdн

 

 

 

920 0,04

3,44 кг/м2.

 

 

1 W

 

1 4,6

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

н

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Величина

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

KF 3

1 0,5 0,380 4,6 1,8

2

0,865.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,380 4,6

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из таблицы приложения 3.7 Кз = 1. Продолжительность сушки

τп

 

 

 

 

3,44

 

 

4,6 1,6 1,0 24,3ч.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,456 0,865

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 6. Пo данным предыдущего примера вычислить приведенное

критическое влагосодержание.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Значения Wп и В* принимаются из таблицы приложения 3.6:

Wп = 1,30 кг/кг; В* = 0,320 ч/м2;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,458 0,04 1 4,6

 

4

 

5

 

Wкп 1,30 0,320

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

0,9 1,77 кг/кг.

 

6 920

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 7. Вычислить продолжительность сушки кускового торфа по данным предыдущего примера; конечное влагосодержание торфа принять равным 0,6 кг/кг.

Из таблицы приложения 3.5 Wр = 0,17 кг/кг. Величина

 

 

3

1 0,5 0,380 1,77 0,6 2

0,653 .

 

 

 

 

KF

 

1 0,380 4,6

 

 

 

 

 

 

Продолжительность сушки в убывающем периоде

τ

 

 

3,44

 

1

 

1,77 0,17 ln

1,77 0,17

24,2 ч.

у

 

 

 

0,60 0,17

 

0,458

 

0,653

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Интенсивность сушки в убывающем периоде

iу

0,36

1,2 0,2

 

0,18 кг/(ч·м2).

 

3,2 0,2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]