На правах рукописи Михайлов Юрий Юрьевич СУШКА КОМПОНЕНТОВ ШИХТЫ СТЕКОЛЬНЫХ

На правах рукописи
Михайлов Юрий Юрьевич
СУШКА КОМПОНЕНТОВ ШИХТЫ СТЕКОЛЬНЫХ
И КЕРАМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ В БАРАБАННОЙ СУШИЛКЕ
Специальность: 05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Иваново – 2009
2
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего
профессионального образования "Владимирский государственный университет"
Научный руководитель
Доктор технических наук, профессор
Лабутин Виктор Алексеевич
Официальные оппоненты:
Доктор технических наук, профессор
Рудобашта Станислав Павлович
Доктор технических наук, профессор
Сафин Рушан Гареевич
Ведущая организация
ОАО «Полимерсинтез», г. Владимир
Защита состоится «2» ноября 2009 г. в 14 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.063.05 при ГОУВПО "Ивановский государственный химико-технологический университет" по адресу:
153000, г. Иваново, пр. Ф.Энгельса, 7.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного химико-технологического университета по адресу: 153000, г. Иваново,
пр. Ф.Энгельса, 10.
Автореферат разослан «___» сентября 2009 г.
Ученый секретарь совета Д 212.063.05,
доктор физико-математических наук,
профессор
Г.А. Зуева
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В современных условиях мирового финансового кризиса и тенденций роста тарифов на энергоносители особенно актуальной становится
проблема энергосбережения в промышленности. По оценкам экспертов в ближайшие годы Российская Федерация войдет во Всемирную торговую организацию, что
приведет к неизбежному повышению тарифов. Ввиду этого внедрение эффективных
энергосберегающих технологий является одним из важнейших направлений повышения рентабельности производства, качества товара, а, следовательно, и конкурентоспособности предприятия в условия рыночной экономики.
Развитие производства строительной индустрии неразрывно связано с увеличением спроса на продукцию стекольной и керамической промышленности при одновременном повышении требований к качеству товара. Ввиду этого, стремление
модернизировать действующие производства и снизить себестоимость товара способствует развитию здоровой конкуренции среди производителей. Одним из способов уменьшения себестоимости продукции является сокращение наиболее существенных статей затрат на производство, поэтому с научно-практической точки зрения наибольший интерес представляют энергоемкие процессы. Одним из таких технологических процессов в стекольной и керамической промышленности является
сушка в барабанных сушилках, на режим которой оказывает воздействие множество
факторов, по-разному влияющих на энергозатраты. Поскольку на испарение жидкости затрачивается значительное количество теплоты, соответственно, требуются
значительные энергозатраты, то проблема оценки работы существующего оборудования и выбора оптимального режима сушки, обеспечивающего повышение эффективности использования сушильной установки, является актуальной задачей.
Содержание данной работы составляют результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в соответствии с ФЦП «Интеграция» (2.1 –
А118. Математическое моделирование ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий) и планов НИР ВлГУ.
Цель работы – разработка математической модели процесса сушки в барабанной сушилке для выявления условий энергоэффективного использования оборудования.
Объектом исследования являются тепловые процессы удаления жидкости из
дисперсных материалов в барабанных сушилках.
Предмет исследования – закономерности процесса сушки и их представление
в математической модели.
Задачи исследования:
1. Разработка расчетных методов определения температуры материала.
2. Обобщение экспериментальных данных равновесия между влажным материалом и сушильным агентом расчетными зависимостями.
3. Создание и экспериментальная проверка математических моделей различных
стадий конвективной сушки дисперсных материалов в барабанной сушилке.
4. Разработка методики расчета сушильной установки.
Научная новизна. Предложен расчетный метод определения температуры
материала в периоде прогрева и удаления связанной влаги, как с учетом разрабо-
4
танных равновесных зависимостей, так и дополнительного подвода тепла от нагретых поверхностей элементов барабана.
Разработаны математические модели конвективной сушки материалов с учетом продольного перемешивания сушильного агента и при наличии контактного
подвода тепла от нагретых поверхностей.
По результатам математического моделирования и экспериментальных исследований представлены закономерности конвективной сушки дисперсных материалов в барабанной сушилке и выявлены особенности процесса.
Показаны характерные зависимости между режимами сушки, параметрами сушильного агента и высушиваемого материала.
Практическая ценность. Использование предложенных методов исследования математическим моделированием процесса конвективной сушки глины в барабанной сушилке позволило выявить закономерности процесса, разработать рекомендации по интенсификации и управлению процессом.
Экспериментальные зависимости и математические модели процесса сушки,
полученные в работе, позволяют анализировать процесс сушки, проводить его оптимизацию, управлять процессом, выявлять пути интенсификации, экономить энергетические ресурсы, снижать себестоимость продукции – в конечном итоге решать
одну из первоочередных задач – повышать энергоэффективность.
Результаты проведенных в работе исследований по созданию методики расчета сушки дисперсных материалов в барабанной сушилке приняты к внедрению на
стекольном заводе ОАО "Красное Эхо".
Автор защищает:
 формулы обобщения равновесных зависимостей эмпирическими и полуэмпирическими выражениями;
 расчетные методы определения температуры материала с учетом равновесных зависимостей между сушильным агентом и материалом и при дополнительном подводе тепла от нагретых конструктивных элементов барабана;
 математическую модель конвективной сушки с учетом контактного подвода
тепла и продольного перемешивания сушильного агента;
 результаты математического моделирования и экспериментального исследования конвективной сушки дисперсных материалов;
 методику расчета сушильной установки барабанного типа.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях: "ММТТ19" (Воронеж, 2006); "Наукоемкие технологии XXI века" (Владимир, 2006); "ММТТ20" (Ярославль, 2007); Всероссийской молодежной научной конференции "Мавлютинские чтения" (Уфа, 2007); "ММТТ-21" (Саратов, 2008).
Публикации. По материалам исследований опубликовано 9 печатных работ, в
том числе 1 статья в журнале, входящем в список ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы (105 наименований) и приложений.
Работа изложена на 148 страницах основного текста, содержит 53 рисунка и 1 таблицу.
5
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определена цель исследования, отмечена научная новизна и практическая ценность полученных результатов.
В первой главе рассмотрены равновесные зависимости между влажным газом и
материалом, предложенные различными авторами, проведен анализ современного
состояния теории тепломассообменных процессов и математических моделей конвективной сушки дисперсных материалов.
Обзор приведенных исследований показал, что наряду с большим количеством
материалов, высушиваемых от жидких систем, в литературе не встречаются работы,
посвященные системному и обобщающему исследованию равновесия влажного материала с сушильным агентом, которое чаще всего представляют в форме таблиц.
Имеющиеся же аналитические исследования по равновесным зависимостям выполнены с рядом упрощающих допущений, которые приводят к описанию равновесия с
большим приближением.
Анализ современного состояния теории тепломассообменных процессов дал
научную основу для разработки методики исследования, создания лабораторной
установки, а также рекомендаций по интенсификации и управлению процессом.
Ввиду этого основной объем теоретических и экспериментальных разработок данной работы определен необходимостью исследования кинетических и равновесных
закономерностей конвективной сушки в барабанной сушилке, причем подчеркнута
целесообразность представления расчетного метода определения температуры материала в периоде прогрева и удаления связанной влаги самостоятельным разделом.
Надежным инструментом решения поставленных в работе задач являются такие составляющие системного исследования, как математическое моделирование и
блочный метод, позволяющие проводить исследования и анализ кинетики различных стадий сушки, а также рассчитывать процесс и оборудование.
Анализ исследований по тепло- и массообменным процессам, протекающим
при сушке в барабанных сушилках показывает, что на основании существующих исследований процесса сушки невозможно учесть все характерные особенности и изменения в кинетике такого процесса.
Более полной была бы такая модель, которая учитывала бы изменение температуры материала в каждой из стадий сушки, равновесие между влажным материалом и сушильным агентом, дополнительный подвод тепла от нагретых сушильным
агентом конструктивных элементов барабана, эффект продольного перемешивания
сушильного агента. Такие уточнения математической модели являются общей целью данной работы.
Во второй главе изложен расчетный метод определения температуры материала в периоде прогрева и периоде удаления связанной влаги, а также получены необходимые зависимости по равновесию между сушильным агентом и высушиваемым материалом.
Представление зависимости давления насыщения пара от температуры уравнением Антуана позволило определить температуру материала из трансцендентного
уравнения, отображающего тепловой баланс сушильного агента:
6

B 
exp  

tМ  C 
МП

 cП  с Ж  tМ   r0  q Д   
tМ  сГ  x0c Ж  



М Г P0


B
 exp  

A 
 tМ  C 
(1)
 t0  сГ  сП x0   x0  r0  q Д  .
При отсутствии дополнительно подводимого (отводимого) тепла
(  q Д /  М Ж  0 ) и степени насыщения воздуха на поверхности испарения жидкости
равной единице, согласно положениям пленочной модели Льюиса и Уитмена, уравнение (1) служит для расчета температуры адиабатического насыщения.
Для учета равновесия между сушильным агентом и высушиваемым материалом предложены методики обобщения экспериментальных данных равновесия с
учетом зависимости равновесного влагосодержания материала не только от относительной влажности сушильного агента, но и от его температуры.
Обобщение экспериментальных данных по равновесию осуществлялось:
1. Эмпирической зависимостью:
U  exp  k1    k2  t  k3  ;
(2)
2. С использованием закономерности уравнения БЭТ (Брунауэра, Эммета и
Теллера):
exp(k1  t  k2 )
U
;
(1  2     2 )
(3)
(1   ) 
3
2
(  k 4    k5    k 6    k 7 )  
3. Для капиллярнопористых тел с учетом уравнения Кельвина (Томсона):
d
  ln d  ln dCP 2  
1
U  U HАС  
exp  
 d  k1  t  k8 .
(4)
2

2


 
0   2
Наличие равновесных зависимостей (2-4), отображающих функциональные
связи между параметрами состояния сушильного агента и высушиваемого материала, позволило перейти к следующему этапу работы – разработке математического
описания процесса конвективной сушки.
В третьей главе на базе общих представлений о сушке и ее законах рассмотрена физическая картина процесса по стадиям, протекающим в сушильной установке, описаны разработанные математические модели и приведено их решение.
В основу разработки математической модели взяты известные законы сохранения энергии и массы вещества, положения из теории сушки и законы равновесия
между материалом и сушильным агентом, отображенные зависимостями, предложенными во второй главе.
Рассмотрим характерные составляющие процессов, протекающих в сушильном барабане.
Период прогрева материала. Принимая высушиваемую частицу правильной
формы, температуру ее поверхности при удалении свободной жидкости определим
уравнением (1), в котором q Д представляет дополнительную теплоту (подводимое
7
теплопроводностью), полученное в данном случае единицей количества испаренной
жидкости за счет внутренней теплоты охлаждаемой частицы материала. Для рассматриваемого случая q Д является переменной величиной и выразится, в соответствии с законом Фурье, формулой
 t 
M  M   S  
R
(5)
q Д    2 S
.
 МЖ
Для определения градиента температуры на поверхности сферической частицы
необходимо знать распределение температуры по ее толщине, а последнее описывается дифференциальным уравнением теплопроводности, имеющим вид
  2tM 2 tM 
tM
 a
 
(6)
,
2

R R 
 R
с начальными условиями
tМ  const при   0 и tМ  f  R  при  >0
 t 
tMПОВ  tНAC и  M   0 .
 R  R 0
Решение дифференциального уравнения (6) осуществлялось численно с использованием метода прогонки.
Период удаления свободной и связанной влаги. Период удаления свободной влаги характерен тем, что сушильный агент у поверхности материала находится
в насыщенном состоянии и испарение идет по законам превращения свободной
жидкости в пар. В течение этого периода процесс сушки определяется, главным образом, скоростью подвода тепла от сушильного агента к высушиваемому материалу
путем конвекции.
l
Одним из важнейших
СА
QМ
параметров, определяющих
Падающие частицы
режим сушки, является температура сушильного агента.
QÌÂÕ
WП  WЛ  WКОН
В непрерывном процессе
QÌÂÛ Õ QCAВЫХ
СА
НАГР
сушки температура сушиль
Q
QМ
K
ВХ
ного агента меняется по QCA
tCAВЫХ
длине сушилки за счет отда- ВХ
Лежащие частицы
tCA
хCAВЫХ
на
поверхности
чи тепла на испарение жид- ВХ
завала
Лопасти и стенка
кости и на нагрев материала, хCA
барабана
лопастей и стенок барабана.
СА
СА
QБАР
 ЛОП
QБАР  ЛОП
Рассмотрим основной
баланс передачи теплоты в
QПОТ
сушильном барабане, схемаРис. 1. Ячеечная модель тепловой части процесса
тичное отображение которого
сушки в барабанной сушилке
представлено на рис. 1.
Количество теплоты отдаваемого сушильным агентом материалу, стенкам и
лопастям барабана в элементарном объеме V равно:
СА
(7)
QСА  QKСА  QMСА  QБАР
, причем QСА   LcСАtСА ,
и граничными условиями
8
а влажный материал в свою очередь получает теплоту конвективно от сушильного
агента поверхностью падающих частиц и лежащего слоя, а также в завале за счет
кратковременного контакта от лопастей и стенки барабана
(8)
QМ  QК  QЛОП  QБАР
и расходуется на превращение жидкости в пар, перегрев паров и нагрев материала
QМ  W  r  cП  tCA  tM    GM сМ tM , где QМНАГ  GM cM tM .
(9)
Перенос тепла от сушильного агента к материалу осуществляется конвективно
в соответствии с выражениями:
для падающих частиц
QKСАП  V  tCA  tM  V  V t V ,
(10)
QKСАЛ    tCA  tM  S  tS ,
(10.1)
а перенос тепла от сушильного агента к стенкам и лопастям барабана по уравнениям
теплоотдачи:
CA
QБАР
  БАР  tCA  t БАР  S БАР   БАР t БАР S БАР ,
(11)
для лежащих частиц
CA
QЛОП
  ЛОП  tCA  t ЛОП  S ЛОП   ЛОП t ЛОП S ЛОП .
(11.1)
Расчет периода удаления связанной влаги отличается от расчета периода удаления свободной влаги тем, что относительная влажность сушильного агента на поверхности материала становится меньше единицы, поэтому температуру поверхности материала, которая начинает повышаться, необходимо рассчитывать с использованием равновесной зависимости между сушильным агентом и высушиваемым материалом.
Дополнительный подвод тепла от конструкционных элементов барабана.
В результате теплового контакта материала с горячими стенками и лопастями барабана
появляется слой высушенного материала, толщина которого постепенно растет (рис.2). А в
высушенном состоянии дисперсный материал
по теплопроводным свойствам не так уж далек
от свойств теплоизоляционных материалов. С
этим связано то, что основное сопротивление
теплопередаче сосредоточено в зоне материала,
контактирующего с теплоотдающей поверхностью. Проходящие в этой зоне процессы существенно зависят от критерия Лыкова. При его
малых значениях жидкость не будет успевать
подводиться из внутренних слоев материала к
поверхности контакта, появится прослойка су- Рис. 2. Схема расположения материала в процессе сушки:
хого материала, разделяющая поверхность кон1
– влажный материал;
такта и поверхность испарения. Температура
2 – нагретая стенка; 3 – лопасть;
этого слоя на поверхности контакта одинакова с
4 – слой высохшего материала
температурой нагретой стенки, а на противоположенной стороне равна температуре испарения жидкости, определяемой величиной
давления в сушильной камере.
9
При сушке многих материалов можно считать, что пересыпание части материала в барабане происходит вверху с одной лопасти на другую или на слой материала, находящийся в нижней части барабана, остальной же материал остается неподвижным, т.е. лежит на нагретой поверхности. В зоне контакта этого материала с
поверхностью происходит передача теплоты и за счет этого сушка пристенного
слоя. Все частицы материала этого слоя находятся в контакте с нагретыми элементами барабана до следующего цикла пересыпания. Для процессов теплообмена в барабанных сушилках это время оказывается довольно малым по сравнению со временем пребывания материала в барабане, что дает возможность принять положения
теории кратковременного контакта для математического описания теплопередачи
внутри слоя.
Величина толщины слоя сухого материала определяется из известного решения задачи теплообмена с изменением агрегатного состояния вещества при наличии
небольшого градиента температур применительно к процессу сушки с углублением
зоны испарения. Считая контакт кратковременным, данный процесс можно свести к
задаче Стефана, из решения которой вытекает
(12)
  0  ,
где  0  коэффициент пропорциональности, характеризующий скорость углубления
зоны испарения, определяемый из условий, заданных на подвижной границе испарения и рассчитываемый из трансцендентного уравнения
   02 
  exp 
4а 
 

 r U  U P   НП 0
.
 t ГС  tИ 
2
 0 
a  erf 

2 a 

Введя замену в (13)   0 , получим
2 a
exp   2
r U  U P 
  Ко, где Ко 
.
  erf   
с  t ГС  t0 


(13)
(14)
В соответствии с полученным выражением (14) безразмерная величина  зависит только от критерия Коссовича и, следовательно, сама является критерием. Физический смысл этого критерия можно представить как меру соотношения между
скоростью распространения фронта высушенного слоя материала и скоростью изменения его температуры.
При нестрогом соблюдении условий кратковременного контакта зависимость
между критериями  и Коссовича
  f  Ко 
(15)
можно выявить для конкретного случая экспериментальным путем.
Учет эффекта продольного перемешивания сушильного агента. Принимая
диффузионную модель движения сушильного агента в барабане сушилки, используем допущение, что структура потока описывается уравнением, аналогичным уравне-
10
нию молекулярной диффузии. Параметром такой модели для массообменного процесса является коэффициент, аналогичный коэффициенту молекулярной диффузии,
который в теории процессов химической технологии носит название коэффициент
продольного (обратного) перемешивания. Допуская наличие подобия между массообменными и тепловыми процессами, полагаем, что в тепловых процессах аналогом
коэффициента продольного перемешивания является тепловой коэффициент продольного перемешивания.
Диффузионная модель переноса теплоты сушильным агентом на элементарном участке длины барабана имеет вид:
dt
d 2t
(16)
w    c  CA   П    CA
 V  tCA  tM .
dl
dl 2
Это уравнение дает связь температуры сушильного агента с длиной пути его
перемещения в дифференциальном виде. Для его решения необходимо знать изменение температуры материала по длине сушильного барабана, которая зависит от
хода процесса сушки, поэтому уравнение (16) решается численно. Свойства материала по длине ячейке считаем постоянными. Кроме того, ввиду незначительного изменения температуры и влагосодержания сушильного агента в ячейке, принимаем
его линейную скорость постоянной. Решение уравнения (16) осуществлялось методом прогонки. Так как граничные условия заданы только исходной температурой в
начале (на входе в сушилку), то в связи с этим используем метод последовательного
уточнения решения при первом произвольном задании конечной температуры с последующим уточнением этой температуры повторными расчетами до требуемой
точности. Эту методику расчета можно также использовать и для тех случаев, когда
движение сушильного агента описывается моделью идеального вытеснения.
Моделирование всего процесса сушки велось по элементам барабана, имеющим одинаковый шаг, величина которого определялась длиной барабана и числом
принятых элементов.
Общий расчет представленных математических моделей процесса сушки состоял из трех блоков, отображающих отдельные стадии процесса, рассмотренные
выше. Каждый блок алгоритма содержал циклы расчета температур и влагосодержаний материала и сушильного агента по длине барабана.
В четвертой главе приведена проверка сходимости и точности решения исследуемых моделей, изложены результаты математического моделирования процессов конвективной сушки на примере удаления воды из глины, дана оценка влияния
технологических характеристик на ход процесса.
Для оценки точности расчета при распределении температуры по слоям частицы выявляли ее зависимость от количества шагов по времени и радиусу.
Результаты анализа показали, что минимальное количество шагов при оценке
распределения температуры по радиусу и по времени, которое существенно не влияет на точность расчета, можно ограничить 40 и 30 соответственно.
Для всего процесса сушки количество шагов, обеспечивающих точность расчета по длине барабана, составило 250.
В процессе моделирования оценивалось влияние исходных свойств сушильного
агента и высушиваемого материала на кинетику процесса сушки в условиях производства. Оценка кинетики процесса сушки проводилась по кривым изменения влаго-
11
содержаний и температур сушильного агента и материала по длине сушильного барабана. Анализ полученных зависимостей показывает, что характер процесса сушки
в барабане идет согласно теоретическим закономерностям. Для исследованного диапазона процесса сушки выявлены практически линейные зависимости между некоторыми параметрами и режимами. Также отмечено, что при значительном повышении интенсивности продольного перемешивания снижаются показатели процесса
сушки.
В пятой главе представлено описание экспериментальной установки и методик
проведения исследований, а также приведены результаты проверки основных кинетических закономерностей, установлена адекватность разработанной математической модели реальному процессу.
Эксперименты проводились на лабораторной установке (рис. 3), специально
созданной с целью проверки на адекватность математического описания, оценки характерных сторон и особенностей поведения процесса. В качестве материала при
математических расчетах и в экспериментальных исследованиях кинетики сушки
была выбрана глина как наиболее распространенный компонент сырья в керамической промышленности. Влажный материал имел начальную температуру в пределах
от 20 о С до 22 о С . Начальное влагосодержание задавалось равное 20 % ± 0,5 %.
10
11
7
5
13
4
6
9
12
3
2
1
8
15
14
5
Рис. 3. Схематичное изображение экспериментальной установки: 1 – пылесос; 2 – диафрагма;
3 – калорифер; 4 – загрузочная камера; 5 – шнековый дозатор; 6 – электродвигатель привода
барабана; 7 – бункер подачи материала; 8 – барабан; 9 – разгрузочная камера; 10 – ворошитель;
11 – компьютер; 12 – термопреобразователь; 13 – терморегулятор; 14 – редуктор привода барабана; 15 – регулировочный выпрямитель
Анализ результатов моделирования проводился по оценке влияния начальной
температуры и расхода сушильного агента на процесс.
На рис. 4 показаны зависимости изменения среднего влагосодержания глины,
температуры ее и сушильного агента от начальной температуры последнего.
12
Рис. 4. Изменение параметров по длине
барабана при различных начальных
температурах сушильного агента:
а – влагосодержание материала;
б – температура сушильного агента;
в – температура поверхности частицы;
г – температура центра частицы материала
Анализ кривых показывает, что процесс сушки идет в основном в периоде
удаления связанной влаги. Можно отметить, что при довольно высокой начальной
температуре сушильного агента более четко проявляется период удаления связанной
влаги, которой заметен по изменению температуры поверхности глины и снижению
скорости ее сушки.
Анализ математического моделирования периода прогрева (рис. 4в и 4г) и
удаления свободной влаги показывает, что температура материала в центральных
слоях частицы в процессе сушки отстает от температуры на его поверхности, но в
периоде удаления свободной влаги это отставание существенно меньше.
Для более глубокого анализа процесса сушки обработкой кривых проведена
оценка влияния начальной температуры сушильного агента на влагосодержание материала для ряда сечений, а также на температуру материала и сушильного агента
(рис. 5).
Анализ этих кривых показывает, что связь влагосодержания материала с температурой сушильного агента для различных длин барабана характеризуется линейным законом. Изменение температуры сушильного агента также имеет линейный
вид.
Сопоставлением рис. 4в и рис. 5б можно отметить, что в периоде удаления
свободной влаги температура материала в различных сечениях барабана меняется по
линейному закону, а в периоде удаления связанной влаги приближается к экспоненциальному.
13
а)
t C.A. , ºC
180
160
140
120
100
80
60
40
б)
t М , ºC
80
70
60
50
40
80
100
х М , кг/кг
0,2
0,18
0,16
0,14
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
0
80
100
120
140
160
t Н C.A. , 30
ºC 20
180
80
t Н C.A. ,
ºC
100
120
140
160
180
в)
Рис. 5. Влияние начальной температуры
сушильного агента на параметры сушки
для различных длин барабана:
а – температура сушильного агента;
б – температура материала;
в – влагосодержание материала;
0,1 м;
0,3 м;
0,62 м;
t Н C.A. ,
0,85 м;
1,25 м
ºC
120
140
160
180
Существенное влияние на процесс сушки, наряду с начальной температурой
сушильного агента, оказывает и его расход. Ниже представлены результаты исследования этого влияния на сушку (рис. 6).
Анализ проведенных исследований, представленных на этих графических зависимостях, показывает, что расход сушильного агента оказывает небольшое влияние на температуру сушильного агента, но на влагосодержание и температуру материала влияет более значительно.
Как можно видеть по рис. 7, изменения температуры сушильного агента и влагосодержания материала в зависимости от расхода сушильного агента носят линейный характер. Изменение температуры материала имеет линейный закон лишь при
малых расходах, очевидно из-за того, что процесс сушки идет в основном в периоде
удаления свободной влаги и температура его мало меняется. При более высоких
расходах изменение температуры проходит по закону, близкому к параболическому.
Проведенная проверка по критерию Фишера при уровне значимости 0,05 подтвердила адекватность математических описаний результатам экспериментальных
исследований.
Результаты проведенных исследований позволили предложить рекомендации
по режимным параметрам конвективной сушки для соответствующих начальных характеристик сушильного агента и материала.
14
t C.A. , ºC
140
а)
120
100
80
60
55
0
t М , ºC
0,25
0,5
0,75
1
t C.A. , ºC
140
130
120
110
100
90
80
70
l, м 60
0,02 0,025
1,25
б)
60
а)
0,03
0,035
0,04
0,045
t М , ºC
L,
м 3 /с
0,05
б)
55
50
50
45
45
40
40
35
l, м
1,25
35
0
0,25
х М , кг/кг
0,22
0,5
0,75
1
30
0,02
х М , кг/кг
0,2
в)
0,17
0,15
0,12
0,1
0,07
0,05
0,02
0
0,25
0,5
0,75
1
0,025
l, м
1,25
Рис. 6. Изменение параметров материала и
сушильного агента по длине барабана при
различных расходах сушильного агента:
а – температура сушильного агента;
б – температура материала;
в – влагосодержание материала;
0,02119 м3/с;
0,02914 м3/с;
3
0,03797 м /с;
0,04680 м3/с
0,03
0,035
0,04
0,045
L,
м 3 /с
0,05
в)
L,
0
м 3 /с
0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 0,05
Рис. 7. Влияние расхода сушильного агента
на параметры сушки при различной длине
барабана:
а – температура сушильного агента;
б – температура материала;
в – влагосодержание материала;
0,1 м;
0,3 м;
0,62 м;
0,85 м;
1,25 м
В приложениях к работе приведены элементы программ расчета исследуемых
процессов на ПЭВМ, результаты опытов, методика и пример расчета барабанной
сушилки, сравнительный анализ методики расчета по Н.М. Михайлову и разработанной нами, акты внедрения, подтверждающие практическое использование основных результатов работы предприятием.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
1. Разработанные методики обобщения экспериментальных данных по равновесию между влажным материалом и сушильным агентом позволили получить ряд
расчетных формул для математического описания процесса сушки.
15
2. Предложенный расчетный метод определения температуры материала в периодах прогрева и удаления связанной влаги существенно упростил математическое
описание и алгоритм расчета процесса сушки.
3. Применение положений теории кратковременного контакта позволило создать методику для определения количества тепла, переданного материалу от нагретых поверхностей барабана и этим уточнить математическое описание процесса
сушки.
4. Предложенный метод учета теплового эффекта продольного перемешивания сушильного агента и его использование для решения математической модели
позволил оценить влияния его на КПД процесса.
5. Теоретические и экспериментальные исследования на специально созданной экспериментальной установке потвердели адекватность математической модели
методами математической статистики, что позволило обоснованно рекомендовать ее
применение для анализа или расчета процесса сушки в сушильных установках барабанного типа.
6. Математическим моделированием выявлены и экспериментальным путем
подтверждены линейные формы зависимости температуры сушильного агента и
влагосодержаний материала в различных сечениях барабана от расхода и начальной
температуры сушильного агента, которые важны для анализа процесса сушки и разработки системы управления.
7. Научные и прикладные результаты исследований переданы заводу в виде
методики расчета процесса сушки и рекомендаций для реконструкции автоматической системы управления процессом.
Условные обозначения
a – коэффициент температуропроводности, м 2 / с ; A, B, C – константы уравнения
Антуана; c – удельная теплоемкость, Дж /(кг  К ) ; d – диаметр, м; G – массовый
расход, кг/с; k1,...,N – константы уравнений; Ko – критерий Коссовича; l – длина, м;
L – объемный расход, м3 / с ; M – количество вещества, кг; P0 – общее давление, Па;
q – удельное количество теплоты, Дж/кг; Q – тепловая мощность, Вт; R – радиус,
м; r, r0 – теплота парообразования при температуре испарения и при 0 о С , Дж/кг;
S – площадь, м 2 ; t – температура, о С ; U – влагосодержание материала, кг/кг; V–
объем, м3 ; w – скорость, м/с; x – влагосодержание сушильного агента, кг/кг; α – коэффициент теплоотдачи, теплообмена, Вт /( м2  К ) ; αV – объемный коэффициент
теплопередачи, Вт /( м3  К ) ; β – безразмерная величина (критерий); β0 – коэффициент пропорциональности, м / с1/ 2 ; λ – коэффициент теплопроводности, Вт /( м  К ) ;
λП – тепловой коэффициент продольного перемешивания, Вт /( м  К ) ; ξ – толщина
слоя сухого материала, м; ρ – плотность, кг / м3 ; σ – дисперсия; τ – время, с; φ – относительная влажность воздуха.
Индексы: БАР – барабан; Г – газ; ГС – нагретая стенка; Д – дополнительная
величина; Ж – жидкость; И – испарение; ЛОП – лопасть; М – материал; Н – начальная величина; НАС – при состоянии насыщения; НП – насыпная плотность; П – пар;
Р – в состояния равновесия; СА – сушильный агент; СР – средняя величина; 0 –
начальное значение.
16
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
1. Лабутин, В.А. Исследование сушки компонентов шихты керамических материалов / В.А. Лабутин, Ю.Ю. Михайлов // Тезисы докладов XIX Международной
научной конференции "ММТТ-19", Воронеж, 2006. С. 85-86.
2. Михайлов, Ю.Ю. Исследование теплообмена и массообмена при сушке
компонентов керамической шихты / Ю.Ю. Михайлов, О.А. Валенкова, В.А. Лабутин
// Материалы Всесоюзной научно-технической конференции "Наукоемкие технологии XXI века", Владимир, 2006. С. 62-63.
3. Михайлов, Ю.Ю. Исследование сушки компонентов шихты керамической и
стекольной промышленности / Ю.Ю. Михайлов, О.А. Валенкова, В.А. Лабутин //
Материалы Всесоюзной научно-технической конференции "Наукоемкие технологии
XXI века", Владимир, 2006. С. 61-62.
4. Михайлов, Ю.Ю. Математическое моделирование процесса сушки компонентов стекольной и керамической шихты / Ю.Ю. Михайлов, О.А. Валенкова, В.А.
Лабутин // Материалы Всесоюзной научно-технической конференции "Наукоемкие
технологии XXI века", Владимир, 2006. С. 148-149
5. Лабутин, В.А. Метод расчета температуры материала при моделировании
процесса сушки / В.А. Лабутин, Ю.Ю. Михайлов // Тезисы докладов XX Международной научной конференции "ММТТ-20", Ярославль, 2007. С. 80-81.
6. Михайлов, Ю.Ю. Тепловое влияние лопастей на сушку в барабанной сушилке / Ю.Ю. Михайлов, Ю.С. Федосова, В.А. Лабутин // Тезисы докладов Всероссийской молодежной научной конференции "Мавлютинские чтения", Уфа, 2007.
7. Михайлов, Ю.Ю. Критериальная оценка сушки с углублением зоны испарения / Ю.Ю. Михайлов, В.А. Лабутин, Ю.С. Федосова // Естественные и технические
науки. – Москва, 2008. – №1(33) – С. 313-317.
8. Лабутин, В.А. Модель равновесия капиллярно-пористого материала с влажным воздухом / В.А. Лабутин, Ю.Ю. Михайлов, Ю.С. Федосова // Тезисы докладов
XXI Международной научной конференции "ММТТ-21", Саратов, 2008. С.72-74.
9. Лабутин, В.А. Математическая модель процесса сушки с контактным подводом тепла. / В.А. Лабутин, Ю.Ю. Михайлов // Химическая промышленность сегодня. – Москва, 2009. – №3 – С. 54-56
Подписано в печать 29.09.09
Формат 60х84/16. Усл. печ. л. 1,00. Тираж 100 экз.
Заказ ________
Издательство
Владимирский государственный университет
600000, Владимир, ул. Горького, 87.