УДК 542: 546+532.592.2

УДК 542: 546+532.592.2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИКИ
ПРОЦЕССА СУШКИ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ ПСЕВДООЖИЖЕНИИ
А.В. Васильев*, проф.; Ю.А. Чернышев**, инж.;
А.П. Ворошилов*, к.т.н.; В.И. Муштаев***, д.т.н., проф.
(*Сумский государственный университет
**Шосткинский завод «Звезда»
***МГУИЭ)
Среди активных гидродинамических режимов в технологических аппаратах
наиболее подходящим и энергоэкономически выгодным процессом сушки
ударонеустойчивых и термолабильных материалов является процесс сушки при
импульсном псевдоожижении слоя [1]. Основные преимущества при этом
следующие [1]:
 возможность создания аналогии псевдоожижения таких материалов, которые
при обычном псевдоожижении не ожижаются, а также создание такого состояния
при неподвижном положении материала;
 создание условий при удалении влаги из влажных материалов как бы
«выдергивания» ее из них (частично или полностью) в зависимости от глубины
создаваемого разряжения;
 использование резонансных явлений в волновых процессах при
тепломассопереносе и импульсной подаче теплоагента.
Такой режим образуется при чередовании давлений газа и небольшого
разряжения под слоем дисперсного (псевдоожиженного) материала.
В зависимости от частоты и скважности прерывания потока (отношение времени
открытого затвора ко времени всего цикла пульсации), физических свойств
обрабатываемого материала и первичной высоты слоя наблюдаются следующие
разновидности
импульсного
псевдоожиженного
слоя:
пульсирующий,
поликавернозный и газонаполненный. Наибольший интерес представляет
псевдоожиженный пульсирующий слой.
При этом зависимость объемного расхода теплоагента от времени может иметь
форму прямоугольного, трапецеидального и синусоидального полного или с
уменьшенной (обрезанной) нижней частью импульсов (вследствие разных давлений
нагнетания и разряжения в слое). Движение теплоагента и фильтруемой (удаляемой)
влаги, увлекаемой теплоагентом, осуществляется за счет придания соответствующих
свойств теплоагенту при пульсации с определенной частотой, зависящей от
гидродинамической обстановки, свойств материала, влаги и теплоагента. При этом,
как показала практика, при импульсном псевдоожижении в процессах
тепломассопереноса имеет большое значение не только форма импульса, но и еще
ширина чередующихся импульсов давления и разряжения, которые могут быть
разными по размеру и по времени. Это накладывает свой отпечаток на
эффективность процесса тепломассопереноса.
Однако создать такое чередование импульсов с учетом формы и ширины сложно.
Значительно проще – выполнить пульсатор, обеспечивающий синусоидальные
импульсы. Это устройство (рис.1) состоит из следующих основных частей: двух
неподвижных дисков, подвижного диска и привода пульсатора.
Первый неподвижный диск имеет в верхней части два выходных отверстия,
связанных между собой на выходе так, что два потока воздухаагента на выходе из
пульсатора направляются в два патрубка. Второй неподвижный диск также имеет в
верхней части два независимых отверстия для входящего потока воздухаагента в
аппарат и для выходящего потока воздуха отдувки.
«Вісник СумДУ», №3 (49), 2003
103
2
Д`
1
A
Д
С
Подача
Вход
Е
В
Отдувка
3
С`
4
6
7
Е
Рисунок 1  Пульсатор:
1  неподвижный диск (первый); 2  подвижный диск; 3  неподвижный диск (второй);
4
соединительный вал; 5  обойма с подшипниками; 6  муфта; 7  электромотор; А  входной
патрубок; В  патрубок отдувки; С  патрубок подачи;
С`  отверстие для отдувки; Д`  отверстие для входа;
E  уплотнения
Подвижный диск имеет два противоположно расположенных отверстия. При
вращении этого диска отверстия попеременно располагаются напротив
соответствующих патрубков подвижных дисков таким образом, чтобы обеспечить
транспортирование сначала потока воздухаагента на входе в аппарат, затем в
следующий момент этот поток воздуха вернуть на отдувку. Такое чередование
расположения отверстий при вращении обеспечивает работу пульсатора и создает
пульсирующий режим. Привод пульсатора состоит из электромотора,
соединительной муфты и вала, соединенного с подвижным диском.
АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПОЛУЧЕНИЕ
КРИТЕРИАЛЬНОГО УРАВНЕНИЯ
Ранее [1] были проведены предварительные аналитические исследования с
получением системы уравнений, включающей в себя уравнение фильтрования
жидкости в слое (уравнение НавьеСтокса), уравнение материального баланса,
уравнение
состояния
газа
в
газораспределителе
аппарата,
уравнение
термодинамического процесса и уравнение массопереноса [2,3].
Изза трудностей аналитического решения этой системы использовали
инженерные методы [2] и получили критериальное уравнение
n
m p
Ne

A
Re
Fog
Sh
.
(1)
Эта функциональная зависимость распространяется на целую группу подобных
процессов [2].
Зависимость между физическими величинами, характеризующими процесс,
справедлива для целой группы подобных процессов, определяли опытным путем,
измеряя все входящие в уравнение величины. При этом неопределяющим являлся
104
«Вісник СумДУ», №3 (49), 2003

PS
d

,[2
]. Остальные критерии Рейнольдса Re
,
критерий Ньютона Ne
mg

Фурье Foд 
k
и Струхаля Sh 
l
являлись определяющими [2]. Опыты
v
l
осуществляли в несколько серий, таким образом, чтобы какиенибудь два
определяющих критерия были постоянными. Эксперименты проводили на модельном
материале в виде тонкой трубочки с наружным диаметром 5 мм и внутренним диаметром 2
мм.
При этом значения критериев были следующие:
2
Foд1 
Foд2 
Foд3 
K 1
l2
K 2
l2
K 3
 3360,
 2640,
 2016.
l2
Со значениями коэффициента массопроводности, приравненного к коэффициенту
диффузии в стесненных условиях К=28106 м2/с (при 500С), времени проведения
процесса сушки 1=3000 с, 2=2400 с, 3=1800с и длиной трубчатого модельного
материала l=5103 м:

d
270
1
,


d
180
2
Re
,
2


d

3
Re
90
.
3

Re
1
Со значениями скоростей теплоагента 1=0,9 м/с; 2=0,6 м/с;
3=0,3 м/с,
диаметром трубки модельного материала d=5103 м, плотностью теплоагента 1,2
кг/м3 (при 500С), коэффициентом динамической вязкости теплоагента =2105
кгсс/м2:

l
1
Sh
1
v

l
2
Sh
2
v
0
,2
,
0
,25
,

l
3
Sh
3
0
,3
.
v
Со значениями частот колебаний теплоагента 1=0,1 Гц; 2=0,125 Гц; 3=0,15 Гц,
расстояниями от вентилятора до сушилки 2 м и скоростью подачи теплоагента 1 м/с:

p
1S
Ne
0
,8
,
1
M
g

p
2S
Ne
0
,6
,
2
M
g

p
3S
Ne
0
,4
.
3
M
g
«Вісник СумДУ», №3 (49), 2003
105
Со значениями перепадов давления в слое сушилки р1=200 Па;
р2=150 Па;
р3=100 Па, площадью сечения решетки S=0,01 м2 и массой влажного материала
M=0,2 кг.
В результате обработки опытных данных получим следующее критериальное
уравнение:
Ne=0,00186Re0,68Foд0,56Sh0,72.
Точность проведенных (и вычисленных значений) опытов не превышала 5%
отклонений.
ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ПРОЦЕССА СУШКИ
Для полноты исследования гидродинамики процесса сушки в пульсирующем
режиме [1,4] подачи теплоагента и в псевдоожиженном слое использовали два
модельных материала: тонкие длиной 30 см трубочки и полимерные шарики с
одинаковым диаметром с трубочками. Опыты проводили на экспериментальной
установке периодического действия в стеклянной цилиндрической камере с
диаметром 100 мм. Частота пульсаций теплоагента изменялась от 0,1 Гц до 1 Гц с
равными импульсами подачи и отдувки. Сравнительные исследования в импульсном
режиме и в псевдоожиженном слое показывают физическую картину изменения
сопротивления слоя от скорости продувки теплоагента для полимерных шариков и
трубок в псевдоожиженном слое (кривая 1, рис. 2) и при пульсирующем режиме
агента (кривая 2, рис. 2).
Р,Па
200
1
18
16
14
12
100
2
8
6
4
2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
U, м/с
Рисунок 2  Изменение сопротивления слоя тонких трубок от скорости продуваемого агента при высоте
слоя 100 мм в псевдоожиженном слое (кривая 1) и при пульсирующем режиме (кривая 2)
Более широкие испытания, проведенные по определению влияния высоты слоя
полимерных шариков с влажностью W=0,4, диаметром d=0,2 мм и при высотах h1=20
мм (кривая а), h2=40 мм (кривая б), h3=80 мм (кривая в), h4=100 мм (кривая г) на
сопротивление слоя (рис.3), показали, что в псевдоожиженных слоях при увеличении
слоя полимерных шариков сопротивление увеличивается и форма кривой более
круче.
106
«Вісник СумДУ», №3 (49), 2003
р, Па
220
г
180
в
140
100
б
60
а
20
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
U, м/с
Рисунок 3  Зависимость сопротивления слоя от скорости потока агента для полимерных шариков с
влажностью W=0,4; dЭ=0,2 мм и при различных высотах слоя Н: а) 20 мм; б) 40 мм; в) 80 мм; г) 100
мм в псевдоожиженном слое
Р, Па
160
140
д
120
в
г
100
б
80
а
60
40
20
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
кг вл.
W, 
кг вл.мат.
Рисунок 4  Влияние влажности полимерных шариков на сопротивление ожиженного слоя при рабочей
скорости U-= 0,5 м/с, при различных удельных нагрузках G/F:
а)  4 кгс/м2; б)  6 кгс/м2; в)  8 кгс/м2; г)  10 кгс/м2; д)  12 кгс/м2
Увеличение влажности полимерных шариков при псевдоожижении с рабочей
скоростью U=0,5 м/с при удельных нагрузках G/F: а)  4 кгс/м2; б) 6 кгс/м2; в)  8
кгс/м2; г)  10 кгс/м2; д) 12 кгс/м2 (рис.4) приводит к увеличению сопротивления
слоя, причем чем больше увеличение влажности, тем кривые круче.
«Вісник СумДУ», №3 (49), 2003
107
Р, Па
70
д
60
г
в
б
50
40
а
30
20
10
кг вл.
W, 
кг вл. мат.
0,1
0,2
0,3
0,4
0, 5
Рисунок 5  Влияние влажности полимерных шариков на сопротивление ожиженного слоя в
пульсирующем потоке агента при средней рабочей скорости U=0,25 м/с и импульсе с частотой f=1 Гц
при различных удельных нагрузках G/F:
а)  4 кгс/м2; б)  6 кгс/м2; в)  8 кгс/м2; г)  10 кгс/м2; д)  12 кгс/м2
Подобная картинка наблюдается и при пульсирующем режиме подачи агента
(рис.5), однако более сглажено и с меньшим значением сопротивления слоя.
SUMMARY
So the compared research of the hydrodynamics the process of the bag in usual airfluidized bed and in the
pulsating regime of the supply the agent for the model material showed that the process in the other case passes in
descent regime parameters. For example the work speed of the agent, the sheet resistance, initial critical speed.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
3.
4.
Чернышев Ю.А., Васильев А.В., Ворошилов А.П. Теоретические предпосылки импульсного
псевдоожижения дисперсных материалов//Вісник СумДУ.- Сумы, 2000.- №19.
Плановский А.Н., Николаев П.Н. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. 
Москва: Химия, 1972.
Муштаев В.И., Ульянов В.М. Сушка дисперсных материалов.  Москва: Химия, 1988.
Васильев А.В., Чернышев Ю.А., Долгих В.Н., Ворошилов А.П. О методе аналитического исследования
процесса импульсной сушки дисперсных химических (ударонеустойчивых) продуктов при
определении режимных параметров//Вісник СумДУ.- Сумы,2001.- №9(30)  10(31).
Поступила в редколлегию 5 декабря 2002г.
108
«Вісник СумДУ», №3 (49), 2003