Сушильные установки и агенты

Размещено на http://www.allbest.ru/

24

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

сушка воздух установка теплообмен

1. Общие сведения

2. Принцип действия и устройство сушильных установок различного типа

2.1 Тепло- и масcобмен в процессе сушки

2.2 Теплотехнические основы сушильного процесса

2.3 Тепловой расчет сушил

3. Характеристики сушильных агентов

3.1 Сушка воздухом

3.2 Сушка смесью дымовых газов и воздуха

3.3 Сушка смесью дымовых газов и возврата

4. Расчет сушила

5. Заключение

6. Список используемой литературы

1. Общие сведения

Высушивание различных материалов и изделий в промышленности играет важную роль, так как от него в значительной степени зависит качество продукции. Так, например, ковши, подлежащие заполнению жидким металлом, их стопорные устройства, литейные формы и стержни подвергают сушке с целью удаления влаги, вводимой при их изготовлении вместе со связующими растворами и материалами. Кроме того, предварительно высушивают исходные сыпучие материалы для изготовления огнеупоров, литейных форм и стержней. Сушке также часто подвергают пылевидные рудные концентраты в цветной металлургия, шламы, получаемые при мокрой газоочистке, и многие другие материалы я изделия. Сушки представляет собой процесс, при котором влага, находящаяся в материале, переходит из жидкого состояния в газообразное и удаляется в окружающую среду. Для ускорения этого процесса к сушимому материалу подводят тепло. Подвод тепла может осуществляться излучением, конвекцией или теплопроводностью и в соответствии с этим различают радиационную, конвективную и кондуктивную сушку, а также сушку при генерации тела в самом сушимом материале. Наиболее широкое распространение получили сушильные установки (называемые часто сушилами или сушилками), в которых осуществляется конвективная сушка. В этих установках газообразная среда не только обеспечивает отвод влаги с поверхности сушимого материала, но и выполняет функцию теплоносителя. Эту среду называют сушильным агентом. В процессе сушки изменяется содержание влаги как в сушимом материале, так и в сушильном агенте. При конвективной существуют изменения энтальпии сушильного агента. Поэтому представляют интерес характеристики этих сред, количественно выражают эти параметры. Сушила для сушки сыпучих материалов выполняются главным образом как установки непрерывного действия. К их числу относятся барабанные сушила, сушила для сушки в пневмопотоке и сушильные установки кипящего слоя. По характеру теплообмена в рабочей зоне эти устройства сильно отличаются между собой, что накладывает отпечаток на их конструкцию и рабочие показатели.

2. Принцип действия и устройство сушильных установок различного типа

Различные способы подвода тепла к формам и стержням определяют в первую очередь особенности конструкции сушильных установок. Так, нагрев может осуществляться либо путем генерации тепла в самом высушиваемом материале (сушила ТВЧ), либо путем передачи тепла к поверхности материала извне как излучением, так и конвекцией. Наибольшее распространение для сушки литейных форм и стержней получили сушила, в которых тепло к материалу передается от горячих продуктов сгорания, смешанных с воздухом или возвратом (отработанными продуктами сгорания). Так как технология процессов сушки предусматривает сравнительно невысокий температурный уровень (до 450°С), то при этих условиях преобладает передача тепла конвекцией. Помимо теплотехнических соображений, на конструкцию сушила оказывает влияние вид высушиваемых изделий, главным образом их масса и габариты. Так, для сушки сравнительно мелких изделий (стержней), которые могут быть легко перемещены через рабочую камеру сушильной установки при помощи разного рода вертикальных, наклонных и горизонтальных конвейеров, применяются сушила непрерывного действия. Эти установки хорошо вписываются в поточные линии современных литейных цехов и хорошо удовлетворяют требованиям массового производства с установившейся программой и сортаментом изделий. Крупные стержни и формы, которые не представляется возможным непрерывно транспортировать через рабочие камеры, сушат в установках периодического действия с выкатными этажерками и тележками. Загрузка изделий при этом облегчается благодаря кран-балкам и мостовым кранам. Особо крупные и громоздкие формы, для которых потребовался бы очень мощный механизм выдвижения тележки, сушат в ямных сушилах со съемным сводом, через который и ведется загрузка изделий в рабочую камеру мостовым краном.

Сушила с конвективным режимом работы

Тепловой и температурный режим. Сушила с конвективным режимом работы делятся на установки периодического действия (камерные) и непрерывного действия. Однако в обоих случаях на их конструкцию и работу влияет режим тепловой работы, определяющий преобладание конвективного теплообмена в рабочих камерах при низком уровне температур (300--450°С). Как отмечалось в гл. III этого тома, интенсификация конвективного теплообмена и улучшение использования топлива достигается применением циркуляционного характера движения сушильного агента с частичным удалением отработанных газов. В старых конструкциях сушил для этой цели использовалась естественная циркуляция, а в современных установках широко применяются инжекторы, вентиляторы и дымососы. Кроме этого, рециркуляция сушильного агента способствует повышению его влагосодержания замедлению процесса сушки, в особенности на его ранней стадии, что весьма важно при сушке массивных форм и стержней, в которых могут возникнуть трещины при быстром неравномерном удалении влаги с поверхности. Естественно, что независимо от высказанных соображений тепловой и температурный режимы работы сушил периодического действия характеризуются изменением поля температур в рабочей камере во времени, тогда как поле температур внутри рабочих камер сушил непрерывного действия во времени не изменяется.

1 - дымовой канал; 2 - дымовой боров; 3 - короб для подачи и распределении поворота в рабочую камеру; 4 - выкатная платформа; 5 - дверь; 6 - рабочая камера ушила; 7 - механизм подъема двери; 8 - рециркуляционный вентилятор; 9 - шибер; 10 - трубопровод для отвода отработанного газа.

Рисунок 1. - Камерное сушило с выкатной тележкой и с искусственной циркуляцией.

Конструкции сушил периодического действия. К таким сушилам относится камерное сушило с выкатной тележкой (платформой), предназначенное для сушки форм и стержней. Сушило состоит из рабочей камеры и двух тонок, расположенных ниже пода камеры и соединенных с ней дымовыми каналами, играющими одновременно и роль смесительных камер. Стены и свод рабочей камеры сушила выполняют обычно из красного кирпича толщиной 0,23--0,35 м. Свод камерного сушила имеет толщину 0,115 м и сооружается в виде отдельных сводов, опирающихся на двутавровые балки. В качестве теплоизоляции используют, шлаковую вату, трепельный порошок или диатомитовый кирпич. Двери камерных сушил представляют собой каркас, с двух сторон обшитый листовым железом; пространство между листами заполнено легковесным кирпичом или шлаковой ватой. Двери, как правило, открываются вручную, а большие сушила оборудуются для этой цели подъемными механизмами с электроприводом или пневмоцилиндром. Тележка с установленными на ней формами или крупными стержнями перемещается по уложенным на поду сушила рельсам ручной или электрической лебедкой. Сушило оборудовано двумя топками, расположенными ниже уровня пода цеха. В топках сжигают любое имеющееся в распоряжении топливо; твердое, жидкое или газообразное. Стены топочных камер футеруют шамотом. Продукты горения направляются из топок в дымовые каналы, расположенные под подом сушильной камеры вдоль продольных стен. В этих каналах для снижения температуры дыма его смешивают с воздухом или с уходящими газами (возвратом), имеющими значительно меньшую температуру. Полученная смесь (сушильный агент) поступает в камеру через отверстия в сводах дымовых каналов. Поднимающиеся вверх потоки горячих газов увлекают за собой более холодные газы, находящиеся в камере, и вызывают в ней естественную циркуляцию, способствующую выравниванию температуры по всему объему камеры и ускорению процесса сушки. Дымовые газы удаляются из камеры через боров, расположенный вдоль продольной оси камеры. Для повышения интенсивности процессов сушки в камерных сушилах широко применяется принудительная рециркуляция продуктов горения. В этом случае часть отработанных продуктов отбирается на борова при помощи дымососа, находящегося вне сушила, и подается в коробы, расположенные по всей длине рабочей камеры сушила (внутри ее с обеих сторон, над сводами дымовых каналов). Выходящие с большой скоростью (15--20 м/с) из сопел коробов отработанные газы усиливают рециркуляцию в камере сушила, интенсивно подсасывая свежие дымовые газы из отверстий в сводах дымовых каналов. Введение принудительной рециркуляции сокращает продолжительность сушки в 1,3--1,5 раза. Камерные сушила часто работают в режиме как естественной, так и вынужденной циркуляции. В начале сушки газообразные продукты, поступающие в камеру, быстро остывают и поэтому в первый период, длительность которого составляет 15--20% от всего времени сушки, установка работает обычно с естественной циркуляцией газов. После разогрева камеры включают дымосос и доводят температуру до требуемой, поддерживая ее в течение последующего периода, длительность которого составляет 40--50% от полного времени сушки. После этого выключают подачу топлива, и происходит, медленное охлаждение материала вместе с камерой до температуры 150--200°С. Тележку выкатывают из сушила, а на ее место помещают новую садку. Камерные сушила, используемые для сушки мелких и средних стержней, отличаются от описанного только несколько меньшими размерами камеры, наличием только одной топки и соответственно одного дымового капала, а также способом загрузки высушиваемого материла. Стержни обычно размещают на металлических этажерках, вдвигаемых в рабочую камеру. Для облегчения перемещения этажерки делают сравнительно небольшими: в сушилке, как правило, помещают 2--4 этажерки одновременно. Внутренние размеры камерных сушил меняются в широких пределах и зависят от их назначения и условий размещения в цехе. При конструировании сушил рекомендуется не превышать следующие максимальные размеры (внутренние): длина 10 м; ширина 5,5--6 м; высота 4,0-- 4,5 м. Чтобы обеспечить циркуляцию газов в сушиле, должны бить выдержаны минимально допустимые расстояния между загружаемым материалом и подом 0,5--0,7 м; между материалом и сводом 0,4--0,5 м; между материалом и боковыми стенами над дымовыми каналами 0,4-- 0,5м.

Ямное сушило применяется для сушки крупных форм. Рабочая камера ямного сушила располагается ниже уровня пола цеха, и загрузка форм в нее осуществляется через съемный свод с мостовым краном. Сушило занимает в цехе меньшую площадь, так как здесь отпадает необходимость в рельсовых путях и механизмах для перемещения тележки. При загрузке нижний ряд опок устанавливают на стеллажи, а последующие -- одну на другую с металлическими прокладками между ними. Так как топка в ямном сушиле расположена рядом с рабочей камерой, то величина геометрического напора, создаваемая разностью плотностей столбов дымовых газов в сушиле и воздуха вне его, невелика. Поэтому для повышения скорости движения газов в ямных сушилах всегда применяют принудительную рециркуляцию. Продукты горения поступают из топки в вертикальный канал, в который снизу подсасывается возврат за счет инжектирующего действия струи отработанных дымовых газов, подаваемых дымососной установкой. Дымовые газы поступают в сушильную камеру из вертикальных каналов через отверстия. Покидающие камеру газы отводятся в борова, перекрытые чугунными плитами с отверстиями. Наибольшее распространение получили ямные сушила с размерами рабочих камер 9,0X5,0X3,5; 11,0X5,0X3,5; 13,0X3,5 м.

В камерных и ямных сушилах расход топлива на удаление 1 кг влаги из высушиваемого материала составляет 13500--20000 кДж/кг, причем большие значения соответствуют сушке форм стального литья, а меньшие -- сушке мелких стержней. Разработка новых методов покрытия внутренних поверхностей литейных форм быстротвердеющими смесями позволяет более широко заменять сквозную сушку форм более быстрой и производительной поверхностной подсушкой.

Переносное сушило для поверхностной подсушки форм горячим воздухом

В качестве примера установки, используемой для этой цели, может служить сушило с сушкой горячим воздухом. Сушило представляет собой переносную рамную конструкцию, устанавливаемую над предназначенной для подсушки полуформой. Воздух, забираемый вентилятором из окружающего пространства, направляется в так называемый калорифер, представляющий собой теплоизолированную камеру с установленными в ней электрическими нагревателями сопротивления в виде спиралей.

1 - сборный воздухопровод; 2 - вентилятор; 3 - электрокалорифер; 4 - распределительные воздухопроводы

Рисунок 2. - Переносное сушило для поверхностной подсушки форм горячим воздухом.

Вентилятор и калорифер установлены наверху рамы сушила. Нагреватели, обдуваемые потоком воздуха с высокой скоростью, быстро нагревают его до температуры 300--350°С, после чего горячий воздух поступает в пять распределительных воздухопроводов, расположенных внизу рамы. Каждый воздухопровод имеет сопла, через которые горячий воздух с большой скоростью направляется на поверхность литейной формы. Часть отработанного воздуха через сборный воздухопровод засасывается вентилятором и вновь попадает в калорифер для обеспечения рециркуляции, которая протекает здесь по незамкнутому циклу. Конструкции сушил непрерывного действия. Сушильные установки непрерывного действия представляют собой вытянутые (в высоту или в длину в зависимости от удобства размещения в цехе) камеры, внутри которых с помощью конвейеров различных конструкций высушиваемый материал перемещается от загрузочного к разгрузочному концу. Из-за трудности создания надежных конвейерных устройств для транспортировки тяжелых форм и крупных стержней эти сушила применяются только для сушки мелких и средних стержней. Сушила непрерывного действия работают с постоянным во времени тепловым режимом.

Вертикальное конвейерное сушило выполняется в виде башни со стенами рамно-щитовой конструкции. Пространство между внутренним и внешним стальными листами обшивки рам заполняется теплоизоляционным материалом (шлаковой или стеклянной ватой). Внутри сушила движется вертикальный конвейер, состоящий из двух непрерывных роликовых цепей с подвешенными на них этажерками. На полки этажерок укладывают подвергаемые сушке стержни. Количество полок на каждой из этажерок зависит от размера стержней. При массе стержней до 5 кг обычно на этажерке устанавливают по три полки, при сушке более крупных стержней количество полок уменьшается. Изменяя скорость движения конвейера, можно устанавливать различное время пребывания стержней в сушиле в зависимости от их массы. Загрузка стержней производится со стороны восходящей ветви конвейера, разгрузка с противоположной стороны, причем загрузка и выгрузка обычно механизированы.

1 - рабочее пространство сушила; 2 - привод; 3 - цепь конвейера; 4 - продольная перегородка; 5 - ведущее колесо; 6 - дымовая труба

Рисунок 3. - Вертикальное конвейерное сушило.

Топка сушила находится между двумя ветвями конвейера; размещена выше уровня загрузочного и разгрузочного окон, чтобы предотвратить выбивание горячих дымовых газон. Топливо сжигается в топке, расположенной внутри смесительной камеры, в которой происходит перемешивание выходящих из топки продуктов горения (с температурой 1000--1200°С) с холодным воздухом или отработанными газами. Наружная камера одновременно играет роль тепловой изоляции кладки топки. Приготовленный таким образом сушильный агент выходит из камеры смешения через отверстия в ее своде и поступает в сушильную камеру со стороны восходящей ветви конвейера. Поднявшись в верхнюю часть сушила, дымовые газы огибают перегородку, опускаются в нижнюю часть сушила, откуда дымососом часть их отводится для рециркуляции, а часть поступает в дымовую трубу. Вместо сплошной перегородки часто используются газоотбойные щиты, устанавливаемые над топкой. Меняя угол наклона этих щитов при помощи лебедки, можно регулировать распределение газовых потоков в сушильной камере. Помимо этого, дымовая труба соединена с верхней частью сушильной камеры четырьмя короткими трубопроводами с заслонками на каждом из них. Все эти средства позволяют регулировать работу сушила и подбирать тот режим сушки, который требуется для данных стержней. Стержни перед выдачей из сушила охлаждаются. Зоной охлаждения служит участок нисходящей ветви конвейера между дымоотборным отверстием и разгрузочным окном. Охлаждение стержней осуществляется воздухом, подсасываемым в сушильную камеру через окно разгрузки.

Горизонтальное конвейерное сушило представляет собой теплоизолированный коридор. Внутри коридора перемещается цепной конвейер, который делает несколько поворотов в горизонтальной плоскости. К цепи конвейера подвешены этажерки, на которые укладывают влажные стержни. Торцы сушила остаются открытыми (для входа и выхода непрерывно движущегося конвейера). Чтобы избежать попадания горячих газов на рабочую площадку, сушило поднято над уровнем пола цеха на высоту около 2 м и конвейер входит в него наклонно. Сушильная камера выполняется сборной из отдельных панелей с теплоизоляционной прокладкой. В качестве теплоизоляции служит шлаковая или стеклянная вата.

Сборка каркаса с панелями осуществляется па болтах что допускает легкую смену панелей.

1 - топка; 2 - вентилятор подачи дымовых газов в сушильное пространство; 3 - вентилятор откоса отработанных газов из сушила; 4 - трубопровод дымовых газов; 5 - короба подачи дымовых газов в сушильное пространство; 6 - трубопроводы подачи охлаждающего воздуха; 7 - дымовая труба; 8 - дымосос; 9 - натяжное устройство конвейера; 10 -звездочка привода конвейера; 11 - вентилятор подачи охлаждающего воздуха; 12 - трасса конвейера; 13 - отверстия с задвижками для выхода газов в сушильное пространство.

Рисунок 4. - Четырехходовое горизонтальное конвейерное сушило.

Часть потолочных панелей не крепится болтами, а лежит свободно и играет роль предохранительного клапана на случай взрыва в рабочем пространстве. Топка в таких сушилах вынесена из рабочей камеры и дымовые газы подаются вентилятором по металлическому дымоходу. Продукты горения поступают в короба, расположенные па полу сушила, Поступление сушильного агента в рабочее пространство регулируется задвижками. Отработанные дымовые газы отбираются из предпоследнего и последнего коридоров и используются для рециркуляции. Последний ход сушила играет роль зоны охлаждения. В него подается атмосферный воздух для охлаждения стержней перед выходом из сушила. Часть топочных газов, смешанных с воздухом в зоне охлаждения, отсасывается вентилятором и выбрасывается в атмосферу. Наличие вынесенной топки и принудительной подачи сушильного агента позволяет легко регулировать требуемый режим сушки по всему рабочему пространству. Производительность горизонтальных конвейерных сушил 2000--3000 кг/ч при количестве испаряемой влаги до 140--160 кг/ч и расходе тепла на 1 кг удаляемой влаги 14500--19500 кДж/кг. Отопление всех описанных сушильных установок может осуществляться любым видом топлива (твердым, жидким или газообразным), сжигание которого осуществляется с помощью топливосжигательных устройств.

2.1 Тепло и масcобмен в процессе сушки физическая картина процесса сушки

При протекании процесса сушки концентрация влаги в высушиваемом материале непрерывно изменяется. Между поверхностью, с которой происходит удаление влаги, и внутренними слоями возникает разность концентрации влаги. Вследствии этого осуществляется движение лаги от мест с большей концентрацией к местам с меньшей концентрацией. Этот процесс называют влагопроводностью. Влага при проходе к поверхности тела или к границе испарения превращается в пар,который смешивается хатем с нагретым воздухом или дымовыми газами, используемыми в качестве сушильного агента, и удаляется в окружающею среду. При этом поверхность, на которой происходит испарение, перемещается по мере развития процесса сушки от наружных слоев материала во внутреннее. При нагреве сушимого материала возникает разность температур между его поверхностью и центром, вследствии чего влага перемещается из более горячих мест в более холодные. Это явление, обусловленное возникновением разности давлений в капиллярных каналах при перепаде температур, получило название термовлагопроводности. Роль термовлагопроводности особенно велика при сушке термически массивных тел, в которых при нагреве возникает перепад температуры. При подводе тепла к высушиваемому материалу извне векторы влагопроводности и термовлагопроводности имеют разные знаки и термовлагопроводность замедляет процесс сушки. Однако по мере прогрева тела (с уменьшением градиента температуры) роль термовлагопроводности уменьшается. Поэтому обычно решающую роль в процессе сушки играет влагопроводность.

После нагрева до -100°С влага, находящяяся внутри сушимого материала, превращается в пар. При этом внутри материала создается более высокое давление водяного пара, чем во внешних (уже более сухих) слоях, и эта разность давлений приводит к дальнейшему усилию переоса влаги из внутренних слоев к наружным. Нагретые газы (сушильный агент), омывающие поверхность сушимого материала и передающие ему тепло, играют не только роль теплоносителя, но и выполняют функцию отвода от поверхности удаляемой из материала влаги. Таким образом, картина нестационарных полей влагосодержания и температуры определяется закономерностями влаго- и таплопереноса внутри тела, а также условиями внешнего влаго- и теплообмена с окружающей средой. Рассмотрим основные закономерности протекания этого процесса при осуществлении сушки. На рис. 29.1 показано изменение во времени средней влажности сушимого материала, скорости удаления из него влаги, температуры поверхности и центра сушимого тела (при постоянной температуре и постоянной относительной влажности сушильного агента). Из графика следует. Что процесс сушки можно разделить на три основных периода. В периоде 1 происходит нагрев материала и начинается испарение влаги, происходящее с постепенно нарастающей скоростью. Невысокая интенсивность сушки в течение начальной стадии периода 1 обусловлена, во-первых, тем, что часть тепла затрачивается на нагрев материала, а не на удаление влаги, и, во-вторых, тем, что процесс термовлагопроводности (вследствие разности температур по сечению) тормозит процесс сушки. По мере прогрева материала разность температур по его сечению снижается и скорость удаления влаги растет. Далее, на протяжении всего периода 2 она остается постоянной. Температуры поверхности и центра при этом практически не изменяются и близки к температуре кипения. В этом периоде все подводимое к телу тепло расходуется только на испарение влаги. Таким образом, в периоде 2 имеет место установившийся процесс, причем явление термовлагопроводности практически отсутствует и интенсивность сушки определяется исключительно влагопроводностью и условиями подвода тепла к материалу. В периоде 3 интенсивность сушки падает. Граница испарения (поверхность, разделяющая влажную и сухую часть материала) по мере роста температуры поверхности тела перемещается с поверхности внутрь. Подводимое к телу тепло уже расходуется не только на процесс испарения влаги, но и на дольнейшее повышение температуры материала. Вновь возникает разность температур по сечению и наблюдается падение интенсивности сушки, происходящее, с одной стороны, вследствие уменьшения влажности материала (замедление процесса влагопроводности из-за меньшей разности концентраций) и, с другой стороны, в результате возникновения эффекта термовлагопроводности. В периоде 3 большую роль играет разность давлений водяного пара во внутренних и внешних слоях тела, способствующая росту потока влаги, направленного к поверхности.

29.1. Динамика изменения параметров сушимого материала при помещении его в камеру с постоянной температурой и влажностью:

1 - влажность высушиваемого материала, %;

2 - плотность потока влаги, удаляемой из материала, кт/(м2 * с);

3 - температура поверхности высушиваемого материала;

4 - температура центра высушиваемого материала;

5 - температура сушильного агента

По окончании периода 3 удаление влаги из высушиваемого материала практически завершается и температура его поверхности стремиться к температуре сушильного агента. В общем случае интенсивность сушки зависит не только от величины потока влаги внутри материала, но и от скорости удаления водяного пара с поверхности тела. Скорость сушки в значительной степени определяется условиями подвода тепла к поверхности сушимого тела. Чем больше плотность подводимого теплового потока, тем выше при прочих равных условиях интенсивность отвода влаги с поверхности тела. Однако при этом возрастает и разность температур по сечению тела, что неизбежно приводит к возникновению термических напряжений и может вызвать образование трещин в сушимых изделиях. С другой стороны, как это уже отмечалось, увеличение разности температур по сечению в течении периодов 1 и 3 сушки приводит к замедлению процесса переноса влаги внутри тела в связи с ростом обратного потока влаги за счет термовлагопроводности.

2.2 Теплотехнические основы сушильного процесса

Тепловой процесс, в котором происходит освобождение материала от содержащейся в нем влаги путем испарения, называется сушкой. При сушке материала (или каких-либо изделий) протекают три основных процесса:

испарение влаги с поверхности материала, сопровождаемое поглощением теплоты;

перемещение пара, образующегося на поверхности материала, в окружающую среду; -

перемещение влаги внутри материала от центральных слоев к поверхности испарения.

Интенсивность процесса испарения влаги с поверхности зависит от разности парциальных давлений пара на поверхности материала и окружающей среды. Чем больше эта разность, тем интенсивнее испарение. Количество влаги, испаряющейся с поверхности, в кг/ (м2'с)

где - коэффициент испарения, кг (кН-с);

- парциальное давление водяных паров на поверхности испарения, кН/м2

- парциальное давление водяных паров окружающей среды (сушильного агента - газа), кН/м2.

Коэффициент испарения зависит от многих факторов, в основном от характера и скорости движения сушильного агента: увеличивается при переходе от ламинарного движения сушильного агента к турбулентному. Движение сушильного агента в сушиле может быть естественным в искусственным. Искусственное, вынужденное движение сушильного агента в сушилах осуществляют с помощью специальных вентиляторов или других вытяжных устройств. При искусственном режиме сушки характер движения сушильного агента, как правило, турбулентный. Скорость сушки в сушилах с искусственным режимом значительно больше, чем скорость сушки в сушилах с естественным режимом. Поэтому в литейных цехах используют сушила с искусственны движением сушильного агента Так как испарение сопровождается поглощение теплоты, то его интенсивность также зависит от величины теплового потока, направленного па поверхность испарения материала. Благодаря испарению влаги с поверхности концентрация влаги на ней уменьшается. При этом создается разность концентраций влаги на поверхности и в центральных слоях материала, что обусловливает непрерывное движение влаги от Центра к поверхности испарения. Как уже говорилось, интенсивность сушки зависит от величины теплового потока. Теплота к нагреваемому материалу может передаваться тремя способами: конвекцией, излучением и теплопроводностью. Соответственно по способу передачи теплоты сушку подразделяют на три вида.

Конвективная сушка - теплота от сушильного агента передается за счет конвекции (с помощью горячего воздуха, продуктов горения топлива и т. д.) к поверхности нагреваемого материала.

Радиационная сушка - теплота к поверхности материала передается за счет излучения от нагретых поверхностей.

Контактная сушка - теплота передается за счет соприкосновения поверхности материала с нагретой поверхностью.

Существует комбинированный вид сушки. Применяют и электрические способы сушки: т.в.ч. и контактную электросушку. Сущность сушки диэлектриков т.в.ч. заключается в том, что колебания т. в. ч. вызывают нагрев материала. При контрактной электросушке по изделию пропускается электроток. Благодаря сопротивлению, оказываемому изделием при прохождении электротока, в нем выделяется тепло. В указанных электрических способах сушки тепло передается материалу от внутренних источников тепла. Блага внутри материала перемещается только при наличии разности влажностей или температур. Соответственно, влага перемещается за счет влагопроводности и термовлагопроводности. Влагопроводностью называется процесс перемещения влаги зачет разности влажностей (концентраций) внутри материала. Термовлагопроводностью называется процесс перемещения влаги за счет разности температур внутри материала. За счет влагопроводности влага по порам материала перемещается от мест с большей влажностью к местам с меньшей влажностью или к границе испарения, На границе испарения влажность уменьшается, пары переходят к сушильному агенту или в окружающую среду. При нагреве материала в нем возникает разность температур, в результате чего появляется разность давлений в его капиллярах. В этом случае перемещение влаги направлено от мест, более нагретых, к местам, менее нагретым. Когда материал нагревается с поверхности, влага за счет влагопроводности перемещается к его поверхности, при этом термовлагопроводность препятствует перемещению влаги. Наоборот, при электросушке температура центра всегда выше температуры поверхности, на которой тепло расходуется на испарение в окружающую среду; при этом термовлагопроводность способствует перемещению влаги к поверхности и увеличивает скорость сушки.

В общем случае интенсивность сушки в кг/(м2*с)

Где - коэффициент влагопроводности, м2/с;

-плотность абсолютно сухого материала, кг/м3;

- градиент влажности;

- коэффициент термовлагопроводности, кг влаги/(кгс.м )

- градиент температур.

Из приведенной формулы видно, что термовлагопроводность может способствовать и тормозить процесс сушки.

1-3 - периоды сушки;

1 - влажность и материала, %;

2 - интенсивность (М) сушки, кг/(м2*с);

3 - температура поверхности материала, `с

Рис. 132. График процесса сушки:

Коэффициенты Ъ и Ь зависят от свойств материала, его температуры, влажности и изменяются в процессе сушки. Влияние термовлагопроводности на процесс сушки незначительно. Однако иногда термовлагопроводность играет определенную роль в процессе сушки. Рассмотрим процесс сушки, показанный на рис. 132, на котором отражены изменении интенсивности испарения, влажности u и температуры поверхности в различные периоды сушки. Период 1 характеризуется повышением температуры и интенсивности испарения. В периоде 2 интенсивность испарения постоянна. Температура поверхности также практически постоянна, вследствие чего . Влагопроводность в периоде 2 является величиной постоянной и определяющей интенсивность испарения. Термовлагопроводность в этих условиях равна нулю. В периоде 3 по мере прогрева поверхностных слоев материала граница испарения перемещается внутрь. Интенсивность испарения и влажность материала снижаются. Температура поверхности возрастает. Она определяется, с одной стороны, влагопроводностыо и термовлагопроводностью, а с другой, интенсивностью подвода теплоты к границе испарения с момента когда эта граница начинает перемещаться внутрь. Влагопроводность остается практически постоянной. Объясняется это тем, то с понижением влажности материала влагопроводность уменьшается, а с повышением температуры она увеличивается. В то же время термовлагопроводность возрастает и препятствует перемещению влаги к границе испарения. В этом случае [см. формулу (23)] градиенты влажности и температуры имеют разноименные знаки. Одновременно уменьшается подвод тепла из-за увеличения толщины просушенного слоя. В результате интенсивность испарения и скорость сушки снижаются. Из рассмотренного видно, что скорость сушки находится в сложной зависимости от многих факторов, поэтому в каждом конкретном случае устанавливают определенный режим сушки.

2.3 Тепловой расчет сушил

В литейном производства наиболее часто применяют конвективный вид сушки. В качестве сушильного агента использую нагретый воздух, продукты горения топлива (дымовые газы) или смесь воздуха с дымовыми газами. Стержни и формы сушат в большинстве случаев дымовыми газами, дерево для моделей, как правило - нагретым воздухом. Тепловой расчет процесса сушки при заданном температурном режиме сводится к определению расхода сушильного агента и расхода теплоты на сушку данного материала.

Сушка воздухом

В процессе сушки воздух омывает влажный материал, передает ему теплоту и насыщается влагой. Таким образом, температура воздуха понижается, а влажность увеличивается. При этом влажность материала уменьшается, а его сухая масса остается постоянной. Воздух, применяем для сушки, состоит из смеси сухого воздуха и паров воды. По содержанию паров воды в воздухе определяют его влажность. Различают абсолютную и относительную влажность и влагосодержание воздуха. Абсолютная влажность воздуха в кг/м3 характеризуется массой водяного пара, содержащегося в 1 м3 влажного воздуха. Абсолютная влажность насыщенного воздуха зависит от температуры. Та температура, при которой наступает полное насыщение воздуха парами воды, называется температурой точки росы. Относительная влажность воздуха выражается отношением массы водяного пара Рпар, содержащегося в 1 м3 влажного воздуха, к массе водяного пара Рнас, соответствующей полному насыщению влажного воздуха при одной и той же температуре. Относительная влажность воздуха характеризует степень насыщения его парами воды. Относительная влажность

.

Относительная влажность может быть определена как отношение действительного парционального давления водяных паров но влажном воздухе в кН/м2 к парциальному давлению водяных паров в воздухе, насыщенном парами в кН/м2 при одной и той же температуре. Влагосодержание влажного воздуха характеризуется массой водяного пара, содержащегося в 1 м3 влажного воздуха (смеси сухого воздуха и пара), отнесенного к массе 1 м3 сухого воздуха. Влагосодержание обозначается буквой d и выражается в кг на 1 кг сухого воздуха (кг/кг с. в.)

,

где - количество водяного пара в воздухе, кг; - масса сухого воздуха, кг.

Влагосодержание влажного воздуха зависит от парциального давления водяного пара, содержащегося в нем, и не зависит от температуры

.

Где В - барометрическое давление в кН/м2 (в расчетах В =98,1 кН/м2--- постоянная величина для средней полосы СССР).

Из формулы для относительной влажности

,

Тогда

кг/кг с.в.

Зная количество влаги, которое нужно испарить из материала за 1 с (, кг/с), а также начальное и конечное влагосодержание воздуха и , можно определить количество воздуха , необходимое для сушки

кг с.в./с.

Количество влаги, которое необходимо удалить из материала в процессе сушки, зависит от начальной я конечной влажности материала. Количество влаги в кг/с, удаляемое из материала, определяется по одной из двух приведенных ниже формул в зависимости от исходных данных:

.

.

где , - часовая производительность сушила по влажному и сухому материалам;

,- относительная влажность материала дон после сушки.

Относительная влажность материала представляет собой отношение массы влаги V, содержащейся в материале, к массе сырого материала .

.

Отношение массы влаги, содержащейся в материале к массе абсолютно сухого материала () дает абсолютную влажность.

.

Одну влажность материала пересчитывают на другую по формуле

.

В тепловых расчетах сушил в качестве одного из основных параметров используют теплосодержание влажного воздуха, отнесенное к 1 кг абсолютно сухого воздуха. Для теплотехнических расчетов теплосодержание влажного воздуха в кДж/кг с. в.

.

Первый член представляет собой удельное теплосодержание сухого воздуха, а пара, содержащегося во влажном воздухе. Из приведен0 формулы видно, что величина теплосодержания влажного воздуха зависит от его температуры и влагосодержания.

Понятие об i-d-диаграмме. Расчет процесса сушки аналитическим путем труден и громоздок поэтому широко используют графический метод расчета с помощью i - d - диаграммы, которая была впервые опубликована П. М. Рамзиным в 1918 г. Диаграмма была построена для влажного воздуха. Ее используют для расчета сушки дымовыми газами, разбавленными воздухом. На рис. 133 приведена схема i - d - диаграммы для влажного воздуха, на которой все данные рассчитаны на 1 кг содержащегося в нем сухого воздуха. По оси абсцисс диаграммы отложено влагосодержание d, а по оси ординат - теплосодержание i воздуха. Диаграмма построена для барометрического давления, равного 98,1 кН/м2. Из рис. 133 видно что линии постоянного влагосодержания расположены по вертикали а линии постоянного теплосодержания - по отношению к вертикали под углом 135°.

3. Характеристики сушильных агентов. Влажный воздух

Воздух используют в сушильных процессах как для разбавления продуктов сгорания, так и в качестве самостоятельного сушильного агента (будучи предварительно подогретым). Его влагосодержание и энтальпия связаны с влажностью и температурой определенными соотношениями. Влажный воздух представляет собой смесь сухого воздуха и водяного пара. Различают абсолютную и относительную влажность воздуха.

Абсолютная влажность - это масса водяного пара, содержащегося в единице объема влажного воздуха, т. е. парциальная плотность водяного пара. Абсолютная влажность зависит от температуры.

Относительная влажность воздуха представляет собой отношение абсолютной влажности к максимальному количеству водяного пара которое может содержаться в единице объема воздуха при данном давлении и выражается в процентах:

Относительная влажность показывает способность воздуха поглощать влагу при данной температуре и может быть выражена через отношение парциального давления водяного пара во влажном воздухе к его максимально возможному давлению при данной температуре :

(28.10)

Рассматривая влажный воздух как смесь идеальных газа можно выразить его давление (измеряемое барометром) как сумму парциальных давлений сухого воздуха и водяного пара. При данной температуре максимально возможным давлением водяного пара является давление его насыщения:

При протекании процесса сушки изменяются температура, относительная влажность и объем влажного воздуха однако количество сухого воздуха в этой смеси остается постоянным. В связи с этим используют такую характеристику, как влагосодержание , которое представляет собой массу водяного пара, содержащегося в смеси, отнесенную к массе сухого воздуха, кг/кг:

,

где - количество водяного пара в воздухе, кг; - количество сухого воздуха, кг.

К влажному воздуху можно применить уравнение Клайперона - Менделеева

,

где p-давление, на; v- удельный объем, м/кг; r- газовая постоянная для данного газа (смеси газов), Дж/(кг*К).

Удельный объем сухого воздуха равен, м3/кг:

,

а удельный объем водяного нара. м3/кг

. (28.15)

где V - объем смеси, т. е. объем влажного воздуха

Записывая уравнение Клапейрона-Менделеева отдельно для воздуха и для водяного пара и подставляя в них выражения для удельного объема сухого воздуха и водяного пара, выразим влагосодержание воздуха, кг/кг:

, (28.16)

Где =287,4 Дж/(кг*К) - газовая постоянная воздуха; =461,0 Дж/(кг*К) - газовая постоянная водяного пара. Подставляя в выражение (28.16) значения и , получим, кг/кг:

,

Где р - давление влажного воздуха (атмосферное давление). Выше было показано, что величина парциального давления водяного пара равна . Отсюда

.

В расчетах процесса сушки величину атмосферного давления принимают обычно р=98 кПа.

Энтальпия влажного воздуха представляет собой сумму энтальпий сухого воздуха и водяного пара. Энтальпию сухого воздуха при температуре Т °С. определяют по формуле, кДж/кг:

, (28.19)

где - изобарная теплоемкость сухого воздуха в диапазоне 0-100°С, кДж/(кг К); =1,005 кДж/(кг К).

Энтальпия водяного пара, кДж/кг:

,

где 2490- удельная те плота испарения, кДж/кг; 1,97- средняя удельная теплоемкость водяного пара, кДж/(кг К).

Таким образом, энтальпия влажного воздуха при температуре

кДж/кг:

. (28.21)

Продукты сгорания

Продукты сгорания (дымовые газы) очень часто используют в качестве сушильного агента.

Влагосодержание дымовых газов, кг/кг сухого газа:

,

Где - количество водяных паров в продуктах сгорания, кг ( - объем водяных паров в продуктах сгорания, );

- объем сухих продуктов сгорания (/кг)

( - полный объем продуктов сгорания, );

- плотность сухих продуктов сгорания, кг/; ,, - объемные доли составляющих продуктов сгорания, .

Энтальпия дымовых газов, кДж/кг сухого газа:

,

где - низшая теплота сгорания рабочего топлива, кДж/кг (кДж/м3); - плотность сухих продуктов сгорания, кг/.

Все эти параметры дымовых, газов находят из расчета горения топлива, проводимого для того действительного коэффициента расхода воздуха, который имеет место в топке сушила. Выше было отмечено, что температура высушиваемого материала ограничена определенными технологическими соображениями. Следовательно, и температура сушильного агента на входе в рабочую камеру сушильной установки не должна быть чрезмерно высокой. Как показывает выражение (27.23), снизить энтальпию (и, соответственно, температуру) продуктов сгорания можно посредством повышения коэффициента расхода воздуха, что вызывает увеличение удельного объема продуктов сгорания. Поскольку температура продуктов сгорания большинства видов промышленного топлива значительно выше допустимой температуры сушильного агента по условиям исключения опасности перегрева сушимого материала, то ее обычно снижают посредством. сжигания топлива в топках сушила с максимально возможным коэффициентом расхода воздуха. Это облегчает задачу дальнейшего понижения температуры продуктов сгорания путем их смещения вне зоны горения с воздухом иди с уходящими из рабочей камеры газами (возвратом) и позволяет получить сушильный агент с более равномерным распределением температуры, а следовательно, повысить качество сушки. Однако величина коэффициента расхода воздуха не может быть сколько угодно 6ольшой, так как при чрезмерном обеднении горючей смеси происходит понижение температуры в топке и горение становится неустойчивым. Экспериментально установлено, что минимально допустимая температура в топке по условиям устойчивости горения составляет 900-1000 для всех промышленных топлив. Отсюда можно найти величину максимально допустимого коэффициента расхода воздуха

, (28.24)

Где - энтальпия продуктов сгорания при минимально допустимой температуре в топке (1340-1460 кДж/м3); - объем продуктов сгорания данного топлива при сжигании его с (/кг); - объем воздуха, необходимого для полного сжигания данного топлива при (/кг).

3.1 Сушка воздухом

Для построения на h - d -диаграмме процесса сушки воздухом предварительно определяют его начальные параметры и в зависимости от времени года и местности. По этим данным на диаграмме находят точку А (рис. 30.2). Для осуществления процесса сушки воздух необходимо подогреть до температуры Т (температура воздуха на входе в сушильную камеру). Эту температуру принимают на 150--250°С выше рекомендуемой технологией температуры сушки, поскольку указанная разность температур между сушильным агентом и поверхностью сушимых изделий характерна для значительного большинства сушил с теплопередачей преимущественно конвекцией. Эта разность температур и создает необходимый для процесса сушки тепловой поток к высушиваемой поверхности. Процесс подогрева на диаграмме изображается прямой линией АВ, параллельной линиям d = const, так как влагосодержание воздуха при подогреве не меняется. Точка В характеризуется температурой сушки или величиной несколько меньшей в случае, если садка загружается в холодную камеру, и тогда учитывается средняя за период температура уходящих газов.

Если в процессе сушки все вводимое в сушило тепло расходовалось бы исключительно на удаление влаги из материала то происходил бы так называемый теоретический процесс сушки, при котором энтальпия сушильного агента неизменна.

Рис. 30.2. Построение на h - d - диаграмме процесса сушки нагретым воздухом.

На h - d - диаграмме он изображен линией ВС, параллельной линиям h=const, проведенной до пересечения в точке С, с изотермой = соnst. Энтальпия сушильного агента (в данном случае воздуха) при теоретическом процессе сушки остается постоянной поскольку тепло 4 затраченное на испарение влаги, возвращается воздуху с водяными парами несущими в себе теплоту испарения. Для определения количества сухого воздуха 4 требующегося дай удаления 1 кг влаги из материала, находят по шкале влагосодержаний разность конечного d2 и начального влагосодержаний воздуха соответствующих началу и концу теоретического процесса сушки а затем подставляют эту величину в выражение (30.2). Точку D, соответствующую величине находят следующим построением. Из точки С проводят линию, параллельную оси абсцисс до пересечения с вертикальной прямой, характеризующей влагосодержание воздуха в начале процесса. Действительный процесс сушки отличается от теоретического тем, что учитывается расход тепла на потери (нагрев высушиваемого материала, транспортирующих устройств, непосредственно сушильной камеры и т. п.). Эти затраты тепла уменьшают энтальпию сушильного агента. Расчет действительного процесса сушки сводится к определению изменения энтальпии и сушильного агента, зависящего от величины тепловых потерь. для построения действительного процесса сушки по h - d - диаграмме предварительно находят величину перечисленных выше потерь, относя их к единице массы (1 кг) испаренной влаги. Потери тепла на нагрев материала qм, отнесенные к Т кг испаренной влаги, находят с помощью выражения, кДж:

, (30.3)

где - масса материала после сушки, кг; - средняя удельная теплоемкость материала, кДж/(кг К); - конечная температура материала, ; - начальная температура материала, .

Потеря тепла на нагрев транспортирующих устройств , отнесенные к 1 кг испаренной влаги, кДж:

, (30.4)

Где -масса транспортирующих устройств, кг; - средняя удельная теплоемкость материала транспортирующих устройств, кДж/(кг*К).

Потери тепла на аккумуляцию камерой сушила ,отнесенные к 1 кг испаренной влаги, кДж:

, (30.5)

Где - масса кладки камеры сушила, кг; - средняя удельная теплоемкость материала кладки камеры, кДж/(кг*К); - средняя начальная и конечная температуры кладки, .

Расчет средних температур по толщине стен обычно выполняют методом конечных разностей. При расчете сушил непрерывного действия потери тепла на аккумуляцию кладкой не учитывают, а рассчитывают потери в окружающую среду через стенки. Неучтенные потери принимают равными 5--10% от величины найденных суммарных потерь (исключая потери тепла на нагрев сушимого материала).

После суммирования величин найденных тепловых потерь находят потери энтальпии, отнеся их к 1 кг сухого воздуха, кДж:

Полученную величину (в масштабе энтальпий) откладывают от точки С' по вертикали вниз (отрезок С'Е). точку Е соединяют с точкой В начала процесса сушки. Таким образом, действительный процесс сушки, протекающий с уменьшением энтальпии воздуха, изображается на h-d- диаграмме прямой линией ВЕ. Поскольку процесс сушки заканчивается при заданной температуре уходящего из сушила воздуха , то на пересечении линии с изотермой находят точку С, соответствующую концу действительного процесса сушки и характеризующуюся параметрами воздуха ,,. Проведя из точки С прямую линию, параллельную оси абсцисс до пересечения с прямой АВ () в точке D, находят величину отрезка CD, соответствующего разности влагосодержаний воздуха () в действительном процессе сушки. Подставляя величину () в выражение (30.2), определяют действительное количество сухого воздуха, необходимое для удаления 1 кг влаги из высушиваемого материала. Расход воздуха в объемных единицах можно найти по формуле, м3/кг:

,

где V -- объем влажного воздуха, приходящегося на 1 кг сухого воздуха при атмосферном давлении. При температуре 20°С можно принять = 0,86 м3/кг.

Расход тепла для удаления 1 кг влаги можно найти изменению энтальпии воздуха при его подогреве от до , кДж:

,

Где - разность энтальпий воздуха, соответствующая отрезку АВ; - количество тепла, кДж/кг, испаренной влаги, внесенного в сушило влагой, содержащейся в материале при начальной температуре материала ; с - теплоемкость воды, равная 4,187 кДж/(кг*К).

Расход тепла на подогрев воздуха за цикл сушки равен, кДж:

.

3.2 Сушка смесью дымовых газов и воздуха

Для построения процесса сушки дымовыми газами предварительно определяют начальные параметры продуктов сгорания (как действительную температуру горения)* и () на выходе из топки по формуле (28.22). По этим данным строят точку В', соответствующую параметрам. продуктов сгорания на входе в сушильную камеру (рис 30.3).

Как уже отмечалось, температуру выбирают, исходя из требований технологии процесса сушки. Так как эта температура должна быть существенно меньше температуры продуктов сгорания, то для снижения последней смешивают дымовые газы с атмосферным воздухом или возвратом. Рассмотрим сначала порядок построения процесса сушки смесью дымовых газов с воздухом. Для построения этого процесса на h - d - диаграмме описанным выше способом находят точку А, характеризующуюся начальными параметрами воздуха ,, и затем соединяют ее с точкой В'. Прямая АВ' изображает процесс смешения дымовых газов с воздухом. Значение температуры воздушно-дымовой смеси на входе в сушильную камеру принимают так же, как и в предыдущем случае (для сушки воздухом), т.е. на 150-250°С выше технологически рекомендуемой температуры сушки. Пересечение прямой АВ с изотермой дает точку В, характеризующуюся параметрами ,,. Принимая температуру уходящих из сушила газов , равной технологически рекомендуемой температуре сушки, дальнейшее построение процессов сушки дымовыми газами проводят аналогично построению процесса сушки воздухом. Количество исходной смеси воздуха и дымовых газов, требующееся для удаления 1 кг влаги из высушиваемого материала в теоретическом процессе сушки, находят из выражения, кг:

Рис. 30.3. Построение на h-d-диаграмме процесса сушки смесью дымовых газов и воздуха.

Здесь отрезок C'D' соответствует разности влагосодержаний () (см. рис. 30.3). То же в действительном процессе:

. (30.10)