Расчет процессов сушки

 

 Расчет процесса сушки производится для нахождения необходимого для нормальной работы сушила количества сушильного агента и определения расхода тепла (топлива). Тип сушила, характеристики высушиваемого материала и вид топлива обычно бывают заданы. Режим сушки выбирают, исходя из технологических соображений и вида форм и стержней.

 При такой постановке задачи расчет сводится к совместному рассмотрению балансов влаги и тепла при процессе сушки. Очевидно, что вся влага, удаляемая из материала при сушке, переходит к сушильному агенту, повышая влагосодержание последнего от начального d_нач (на выходе в сушило) до конечногоd_кон (на выходе из сушила). Тогда, исходя из закона постоянства массы:

 

 m_вл = L(d_кон –d_нач) кг, (1)

 

гдеL — количество сухогосушильного агента, кг сухого газа (возд).

Количество необходимого сухого сушильного агента удобно выразить, отнеся его к 1 кг удаляемой из высушиваемого материала влаги:

 

l=L/ m_вл =1/ d_кон –d_начкг/кг исп. вл.(2)

 

 Все последующие операции по совместному анализу балансов тепла и массы для процесса сушки могут быть наиболее эффективно осуществлены с помощью I—d диаграммы, подробно описанной в гл. II первого тома учебника. Основными параметрами I—d диаграммы служат энтальпия I (кДж/кг) и влагосодержание d (кг/кг сух. возд). Диаграмма I—d построена для влажного воздуха, однако с ее помощью можно производить расчеты сушки не только воздухом, но и дымовыми газами, а также смесью дымовых газов с воздухом.

 При расчете процессов сушки с помощью I—d диаграммы следует последовательно отображать на ней имеющие место в сушиле явления: подготовку сушильного агента перед его подачей в рабочую камеру (т. е. подогрев воздуха в случае использования воздуха в качестве сушильного агента); смешение продуктов горения с воздухом или возвратом в случае сушки дымовыми газами и собственно процесс сушки.

Ниже рассмотрен порядок отображения на I—d диаграмме процессов сушки различными сушильными агентами. Это отображение будет в дальнейшем называться «построение процесса сушки».

Сушка воздухом. Для построения на I—d диаграмме процесса сушки воздухом предварительно определяют его начальные параметры φ_воз и Т_воз в зависимости от времени года и местности. По этим данным на диаграмме находят точку А (рис. 10). Для осуществления процесса сушки воздух необходимо подогреть до температуры Т_нач (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 постоянного влагосодержания d=const, так как при подогреве начальное влагосодержание воздуха остается неизменным, а изменяется только его энтальпия. Точка В характеризуется параметрами

 

d_нач = d_воз, Т_нач, I_нач.

 

В процессе сушки влагосодержание воздуха и его температура изменяются. Влагосодержание воздуха возрастает за счет удаления влаги из материала, а его температура снижается до величины Т_кон вследствие затраты тепла на процесс сушки. Температура Т_кон соответствует моменту выхода сушильного агента из сушильной камеры. Эту температуру принимают равной рекомендуемой (по технологическим условиям) температуре сушки или величине несколько меньшей в случае, если садка загружается в холодную камеру, и тогда учитывается средняя за период температура уходящих газов. (Во всех случаях выбирать параметры процесса сушки ниже линии относительной влажности φ=100% нельзя, так как насыщенный пар частично конденсируется и влага оседает на высушиваемых изделиях, что резко ухудшает качество форм и стержней.)

 Если в процессе сушки все вводимое в сушило тепло расходуется исключительно па удаление влаги из материала, то происходит так называемый теоретический процесс сушки, который протекает при постоянной энтальпии сушильного агента. На I—d диаграмме он изображен прямой линией ВС', параллельной линиям постоянной энтальпии I== const до пересечения в точке С' с изотермой Т_кон =const. Энтальпия сушильного агента (в данном случае воздуха) при теоретическом процессе сушки остается постоянной, поскольку тепло, затраченное на испарение влаги, возвращается воздуху с водяными парами, несущими в себе скрытую теплоту парообразования.

 

Рисунок 10 – ПостроениеI–d-диаграммепроцессасушки нагретым воздухом

 

Для определения количества сухого воздуха l_теор, требующегося для удаления 1 кг влаги из материала, находят по шкале влагосодержаний разность конечного d₂ и начального d₁ = d_нач влагосодержаний воздуха, соответствующих началу и концу теоретического процесса сушки, а затем подставляют эту величину в выражение (XIII-37). Отрезок (d₂—d₁) можно заменить отрезком (D^’—С'), измеренным в миллиметрах и умноженным на масштаб. Точку D' находят следующим построением. Из точки С' проводят линию, параллельную оси абсцисс до пересечения с вертикальной прямой, 'характеризующей влагосодержание воздуха в начале процесса. Масштаб влагосодержаний M_d зависит от общего масштаба диаграммы и указывается обычно на оси абсцисс.

Действительный процесс сушки отличается от теоретического тем, что учитывается расход тепла на потери разного рода (аккумуляцию тепла высушиваемым материалом, транспортирующими устройствами, непосредственно сушильной камерой и т. п.). Эти затраты тепла уменьшаютэнтальпию сушильного агента. Расчет действительного процесса сушки сводится к определению изменения энтальпии сушильного агента, зависящего от величины тепловых потерь. Для построения действительного процесса сушки по I—d диаграмме предварительно находят величину перечисленных выше потерь, относя их к единице массы (1 кг) испаренной влаги.

 Потери тепла на нагрев материала дм, отнесенные к 1 кг испаренной влаги, находят с помощью выражения

 

q_M =M_M c_M (T^M_кон -Т^М_нач)/m_влкДж/кг исп. вл.,(3)

 

гдеМ_М— масса материала после сушки, кг;

C_M— средняятеплоемкостьпесчано-глинистых смесей,

принимаемаяравной0,837кДж/(кг*К);

Т^М _кон — конечная температура материала, °С;

Т^М_нач — начальная температура материала, °С.

Потери тепла на нагрев транспортирующих устройств q_тр, отнесенные к 1 кг испаренной влаги:

 

q_тр =M_тр c_M (T^тр_кон –Т^тр_нач)/m_влкДж/кг исп. вл.,(4)

 

гдеМ_тр— масса транспортирующих устройств, кг;

C_тр— средняятеплоемкость материала транспортирующих

устройств,кДж/(кг*К).

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

 

q_акк =M_кл c_кл (T^ср_кон –Т^ср_нач)/m_влкДж/кг исп. вл.,(5)

 

гдеМ_кл— масса кладки камеры сушила, кг;

C_ср— средняятеплоемкость материала кладуки камеры,

кДж/(кг*К);

Т^ср _кон — средняя конечная температура кладки, °С;

Т^ср_нач —средняя начальная температура кладки, °С.

 

Для нахождения средних температур по толщине стен используют метод конечных разностей.

Неучтенные потери принимают равными 5-10% от величины найденных суммарных потерь (исключая потери тепла на нагрев сухого материала).

 

После суммирования величин найденных тепловых потерь находят потери теплосодержания, относя их к 1 кг сухого воздуха:

 

I_пот =∑q_пот /l_теоркДж/кг сух.воз.(6)

 

Полученную величину в масштабе энтальпий откладывают от точки С’ по вертикали d₂ =const вниз (отрезок С’E). Точку Е соединяют с точкой В начала процесса сушки. Таким образом, действительный процесс сушки, протекающий с уменьшением энтальпии воздуха, изображается на I–d диаграмме прямой линией ВЕ. Поскольку процесс сушки заканчивается при заданной температуре уходящего из сушила воздуха Т_кон , то на пересечении линии ВЕ с изотермой Т_кон находят точку С, соответствующую концу действительного процесса сушки и характеризующуюся параметрами воздухаd_кон, Т_кон, I_кон. Проведя из точки С прямую линию, параллельную оси абсцисс, до пересечения с прямой АВ (d_нач =const) в точке D, находят величину отрезка CD, соответствующую разности влагосодержаний воздуха (d_кон - d_нач) в действительном процессе сушки. Подставляя величину(d_кон - d_нач) в выражение (2) , определяют действительное количество сухого воздуха, необходимого для удаления 1 кг влаги из высушиваемого материала.

Расчет воздуха в объемных единицах можно найти по формуле

 

V_действ =Vl_действм³/кг исп. вл.,(7)

 

где V– объем влажного воздуха, приходящего на 1 кг сухого

 воздуха при атмосферном давлении. При температуре

 20⁰ С можно принять V=0,86 м³/кг.

 

Расход тепла для удаления 1 кг влаги можно найти по изменению энтальпии воздуха при его подогреве от Т_воз до Т_нач:

 

q=l_действ (I’_нач-I_воз)-сТ^М_начкДж/кг исп. вл.,(8)

 

где (I’_нач-I_воз)– разность энтальпий воздуха, определяемая по отрезку

АВ с учетом масштаба энтальпии М_r (указываемом

обычно на оси ординат).

сТ^М_нач – количество тепла, кДж/кг исп. вл., внесенного в сушило

влагой, содержащейся в материале при начальной

температурематериала Т^М_нач ;

с– теплоемкость воды, равная 4,187 кДж/(кг*К);

 

Расход тепла на подогрев воздуха за цикл сушки равен

 

Q_цикл=qm_влкДж.(9)

 

 Сушка дымовыми газами. Для построения процесса сушки дымовыми газами предварительно определяют начальные параметры продуктов горения Т_Д(как действительную температуру горения) и d_Д на выходе из топки. По этим данным строят точку В’, соответствующую параметрам продуктов горения на воздухе в сушильную камеру (рис. 11).

 Как уже отмечалось, температуру Т_нач выбирают, исходя из требований технологии процесса сушки. Так как эта температура должна быть существенно меньше температуры продуктов горения, то для снижения последней смешивают дымовые газы с атмосферным воздухом или возвратом. Рассмотрим сначала порядок построения процесса сушки смесью дымовых газов с воздухом.

Рисунок 11 – Построение на I—d-диаграмме процесса сушки смесью дымовых газов и воздуха

 

Для построения этого процесса на I—d диаграмме описанным выше путем находят точку А, характеризующуюся начальными параметрами воздуха d_воз, T_воз, 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 Т_нач дает точку В, характеризующуюся параметрами d_нач, Т_нач, I_нач. Принимая температуру уходящих из сушила газов Т_кон 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

 

l_теор =1/( d₂ - d_нач) кг/кг исп. вл., (10)

 

здесь отрезок C'D' соответствует разности влагосодержаний (d₂ - d_нач) (см. рис. 11). То же в действительном процессе

 

l_действ =1/( d_кон - d_нач) кг/кг исп. вл.,(11)

 

Здесь отрезок CD соответствует разности влагосодержаний (d_кон - d_нач) с учетом масштаба влагосодержаний М_d.

Расход тепла на удаление влаги определяют по формуле (аналогичной процессу сушки воздухом) по разности энтальпий дымовых газов. В технических расчетах обычно используется величина низшей теплоты сгорания топлива Q^р_н , определяемая при условии, что вся влага, образующаяся при горении топлива, находится в парообразном состоянии при температуре 20° С. Поэтому вместо энтальпии I_нач, фактически соответствующей точке В, следует учесть энтальпию I_нач (см. рис. 11), соответствующую точке В", характеризующейся энтальпией тех же газов, при той же температуре T_нач, но при влагосодержаний, соответствующем 20°С (т. е. практически d_воз).

Тогда

 

q=l_действ (I’_нач-I_воз)-сТ^М_начкДж/кг исп. вл.(12)

 

Здесь с учетом масштаба энтальпии М_r разности (I’_нач-I_воз) соответствует отрезок АВ".

Расход тепла за цикл сушки находят по формуле (9). Далее, зная величину низшей теплоты сгорания топлива, можно легко найти количество топлива, которое надо сжечь в сушиле за 1 цикл сушки:

 

В_цикл=Q_цикл/Q^р_нкг (м³).(13)

 

Среднечасовой расход топлива

 

b= В_цикл /tкг/ч (м³/ч),(14)

 

где t— время работы топки сушила, ч.

Заключение

 В современных плавильных цехах высушивание различных материалов и изделий играет весьма важную роль, так как от него в значительной мере зависит качество металла или получаемых отливок. Это обусловлено тем, что сталеразливочные ковши, их стопорные устройства, литейные формы и стержни подвергаются сушке с целью удаления влаги, вводимой при их изготовлении вместе со связующими растворами и материалами. Кроме того, исходные сыпучие материалы для изготовления огнеупоров, литейных форм и стержней также предварительно высушивают.

 Широкий ассортимент материалов, подвергаемых сушке, и изделии из них предопределяет большое разнообразие сушильных установок, которые выполняются работающими как непрерывно, так и периодически, топливными и энергетическими и т.д. Все эти совершенно различные в конструктивном отношении установки объединяются общностью осуществляемого с их помощью технологического процесса сушки.