CC BY
38
УДК 66.047 (088.8)
Б.С. Сажин, О.С. Кочетов, В.Б. Сажин, А.В. Костылева, Е.В. Атлашкина
Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина, Москва, Россия Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ В ЗОНАХ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ РАСТВОРА И УЛАВЛИВАНИЯ ПЫЛИ ПРОДУКТА ВИХРЕВОЙ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СУШИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
In work research of acoustic influence in zones диспергирования a solution and catching of a dust of a product vortical распылительной drying installation as one of the important ways of an intensification of processes of drying of materials of dispersion is given. Calculation vortical распылительной dryers with tangential input and the top axial conclusion of gas for an extract condensed up to 55 % of dry air, working on a principle of a parallel current of movement of a solution and the heat-carrier is considered. As the heat-carrier air which is heated up in a gas heater is used, and in quality dusting devices the acoustic vortical atomizer is used. For clearing air of a dust of a product the first step working on a principle of acoustic coagulation, containing inertial dedusters, for example the cyclones connected by means of the sound channel with a sound column is used, and as the second step of clearing is used the sleeving filter.
В работе приведено исследование акустического воздействия в зонах диспергирования раствора и улавливания пыли продукта вихревой распылительной сушильной установки как одного из важных путей интенсификации процессов сушки диспергированных материалов. Рассмотрен расчет вихревой распылительной сушилки с тангенциальным вводом и верхним аксиальным выводом газа для экстракта, сгущенного до 55 % сухого воздуха, работающей по принципу параллельного тока движения раствора и теплоносителя. В качестве теплоносителя используется воздух, нагреваемый в газовом калорифере, а в качестве распыливающего устройства используется акустическая вихревая форсунка. Для очистки воздуха от пыли продукта используется первая ступень, работающая на принципе акустической коагуляции, содержащая инерционные пылеуловители, например циклоны, соединенные посредством звукового канала со звуковой колонной, а в качестве второй ступени очистки используется рукавный фильтр.
Рассмотрим режимы работы вихревой распылительной сушилки, работающей по принципу параллельного тока движения раствора и теплоносителя при акустическом воздействии в зонах диспергирования раствора и улавливания пыли продукта, схема которой представлена на рис.1. В качестве теплоносителя используется воздух, нагреваемый в газовом калорифере, и поступающий по тангенциально расположенным каналам 4 в корпус 1 сушильной установки, а в качестве распыливающего устройства 3 используется акустическая вихревая форсунка, схема которой приведена на рис.2. Вывод готового продукта из сушильной установки производится через бункер 2 для сбора готового продукта. Для очистки воздуха от пыли продукта используется первая ступень 6, содержащая инерционные пылеуловители, например циклоны, соединенные посредством звукового канала со звуковой колонной, а в качестве второй ступени очистки используется рукавный фильтр 7 с бункером 8. Частота акустических волн звуковой колонны лежит в оптимальном диапазоне частот от 15 до 16 кГц; интенсивность звука может колебаться от 2 до 3 Вт/сек, при этом продолжительность обработки излучателем звука осуществляется во временном интервале от 2 до 5 минут.
Рассмотрим расчет вихревой распылительной сушилки с тангенциальным вводом и верхним аксиальным выводом газа для следующих исходных данных: количество экстракта, сгущенного до 55 % сухого воздуха равно G1 = 60 т/сут; параметры наружного воздуха: барометрическое давление 100 кПа; зимой to = 10,8 °С, фо = 88 %; летом t0 = 18 °С, ф0 = 70 %; температурный режим в сушильной камере: t1 = 190 °С; t2 = 85 °С; температура экстракта на входе 91 = 50 °С, на выходе 02 = 75 °С; влажность порошкообразного экстракта W2 = 2 %; продолжительность непрерывной работы сушильной установки 23 ч/сут; температура воздуха в помещении ^ = 20 °С; температура
оштукатуренных стен сушильного помещения 1;ст = 15 °С; коэффициенты теплопроводности: теплоизоляционного материала (минеральная вата) Хст.в = 0,058 Вт/(м К); стали Хст = 46 Вт/(м К); воздух нагревается в огневом калорифере с КПД пкал = 0,65; КПД топки при сжигании мазута (0нр = 40 МДж/кг) пт = 0,95; сопротивление воздушных трактов, калорифера и системы улавливания пыли продукта, установленного на выходе газов из сушильной камеры, Др = 1 кПа; коэффициент запаса мощности электродвигателя для привода вентилятора т = 1,05; эффективный КПД вентилятора Пв = 0,7; механический КПД вентилятора пм = 0,97; КПД передачи от электродвигателя к вентилятору пп = 0,95.
Количество испаренной влаги
и = О^ - W2)/(100 - №2) = 60 (45 - 2)/(100 - 2) = 26,3 т/сут, (1)
или 0,32 кг/с.
Количество порошкообразного экстракта с учетом 0,3 % потерь с уходящим из скруббера газом
О2 = 0,997 (60 - 26,3) = 33,6 т/сут.
При распылении экстракта с помощью акустических форсунок средний объемно-поверхностный диаметр капель рассчитывается по формуле
3 96
(---0,0308»)
Scp(2,3) = (dc + 4,32)e u = 49,4мкм,
(2)
где ёс - диаметр входного отверстия ёс = 0,55 мм; эквивалентная осевая скорость выхода струи раствора иэ = 20 м/с; тангенциальная составляющая скорости струи иф = 10 м/с.
Максимальный диаметр капель
бмакс = 2,55- 5э,2 = 123,3 мкм.
Напряжение вихревой сушильной камеры по испаренной влаге предварительно определяется по формуле
Лу « (1,8 - 2,2)10-4 5макс-0,33 = 1,8 • 10-4 (123,3 • 10-6)-0,33 = 3,62- 10-3 кг/(м3 с) (3)
Внутренний объем одной сушильной камеры V = И/Лу = 0,16/3,62 10-3 = 44,2 м .
С учетом выражения Нцил = внутренние размеры вихревой камеры, имеющей коническое днище с углом раскрытия конуса 60°, составляют:
Dk = 4,3 м; Нцил = 2,1 м; Нкон = 3,4 м.
Скорость газа на входе в камеру
ивх ~ (30 - 35) Dk0,4 = (30 - 35) 4,30,4 = 53,7 - 62,7 ~ 60 м/с (4)
Диаметр выхлопного патрубка ёвых = (0,10 - 0,15) 4,3 = 0,52 м.
Путь перемещения частицы максимального размера в радиальном направлении при 1;г = (1,0 - 1,3) 85 = 100 °С и Яф = 0,5 Як ; 2 = 0,36 м.
Таким образом, габариты камеры обеспечивают высушивание распыленного продукта. Проверка влагонапряжения:
А -(2,53)10-3[D l(ôMaKc-106)]0'2 =(2,53)-10-3[190• 4,3/(106-123,3-10-6)f =(3,65 4,35)10-3 гк /(м3 • с).
(5)
Порошкообразный продукт
Рис. 1. Схема вихревой распылительной сушилки, работающей по принципу параллельного тока движения раствора и теплоносителя: 1-сушильная камера, 2-бункер, 3-распыливающее акустическое устройство, 4-тангенциальный ввод теплоносителя, 5-патрубок для отвода отработанного теплоносителя, 6-звуковая колонна, 7-рукавный фильтр, 8-бункер для улавливания пыли продукта.
Критерий Рейнольдса при определяющем геометрическом размере Dк и температуре газа в сушильной камере ^ = 100 °С
Re и О/^-В66^=19,26 • 105.
0,238 • 10-
,0,8
(6)
При Яе > 5 число Нуссельта № = 0,032Яе
Ыщ = 0,032(19,26 • 105 )0,8 = 3410,96 и коэффициент теплоотдачи от воздуха сушильной камеры к стенке составит
а, = ЫщА/ Вк = 3410,96 • 0,0311/ 4,3 = 24,67Вт /(м2 • К)
Акустическая форсунка (рис.2) для распыливания жидкостей работает следующим образом. Распыливающий агент, например воздух, подается по газовому каналу 2, где встречает на своем пути резонатор 16, выполненный в виде сферической полости, соединенной с соплом 4 посредством калиброванного отверстия 17. В результате прохождения резонатора 16 распыливающим агентом (например воздухом) в последнем возникают пульсации давления, создающие акустические колебания, частота которых зависит от параметров резонатора. При этом частота акустических волн, излучаемых резонатором лежит в оптимальном диапазоне частот от 15 до 16 кГц с интенсивностью звука от 2 до 3 Вт/сек.
На рис. 3 представлены схемы систем, состоящих из резонаторов и их динамические характеристики, отвечающие требованиям резонансных излучателей акустической форсунки, причем каждая из схем включает в себя резонансные отражатели, настроенные на определенный частотный диапазон. Схемы 3а и 3б даны для узкополосных резонаторов [4].
Физический эффект работы таких систем основан на том, что при резонансном совпадении собственной и возбуждающей частот амплитуда скорости колебания воздуха в горле резонатора, которым являются отверстия в перфорированной вставке, резко возрастает, вызывая значительное возрастание мощности падающей звуковой волны (эффект резонатора Гельмгольца) [5].
кольцевой резонатор, 6-кольцо, 7-коническая поверхность, 8-распылитель, 9- кольцевая площадка, 10-стержень, 11-калиброванный зазор, 12,13-торцевые плоскости, 14-калиброванные прокладки, 15-гайки,16-сферическая полость,17- калиброванное отверстие.
Silh
ALiWS
20
ГО
5)
Ч
р а \
щ с/пичесяъ 1 i 1 \ п г*
50 юа гов 4а&^Гц, Рис. 3. Системы из резонаторов и их характеристики: а - система из двух резонаторов Гельмгольца: 1 и 2 - резонаторы; 3 - соединительная труба; б - система из трех резонаторов;
Максимальное увеличение энергии для одиночного резонатора будет наблюдаться на резонансной частоте :
^ = 0,5с(кр / У„Г / * , (12)
где kр - проводимость отверстий ,соединяющих трубопровод с резонаторной камерой объемом Vр (м3);
Согласно данным на рис. 4, тяжелые крупные частицы практически не колеблются, в то же время они весьма интенсивно осаждаются. Поэтому, если направление распространения звуковых (или ультразвуковых) волн будет параллельным движению тяжелых частиц, легкие частицы, колеблющиеся вместе с газом, будут непрерывно пересекать траекторию тяжелой частицы, увеличивая частоту столкновений.
Скорость акустической коагуляции в этом случае будет пропорциональна концентрации больших частиц, начальной концентрации мелких частиц, скорости движения больших частиц, амплитуде колебаний мелких частиц и размерам мелких и крупных частиц, т.е.
нак = -((п^т) ~ УбцХч(гбч + Гу)ппбч (13)
где убч - средняя скорость оседания больших частиц.
* * » \ • \ \\ з * Ч
1 VI 11 » i \ \ * * * т
• 1 , \ \ * \ 1 * 1*. . i.
• \ * 1 • • * 4 ! V л -к *
* \ » • ч V i j \ ' к
1-Ю"7 МО6 МО"3 МО""
¡£1, м
Рис. 4. Зависимость относительной амплитуды колебаний частицы от ее размера при частоте колебаний среды, равной 1 кГц (1), 5 кГц (2), 10 кГц (3, 20 кГц (4), 50 кГц (5), 100 кГц (6)
Выводы:
Рассмотрен расчет вихревой распылительной сушилки с тангенциальным вводом и верхним аксиальным выводом газа, работающей по принципу параллельного тока движения раствора и теплоносителя, в качестве распыливающего устройства используется акустическая вихревая форсунка, при этом частота акустических волн, излучаемых резонатором лежит в оптимальном диапазоне частот от 15 до 16 кГц с интенсивностью звука от 2 до 3 Вт/сек. Для очистки воздуха от пыли продукта используется первая ступень, работающая на принципе акустической коагуляции, содержащая инерционные пылеуловители, например циклоны, соединенные посредством звукового канала со звуковой колонной, а в качестве второй ступени очистки используется рукавный фильтр.
Список литературы
1. Сажин Б.С. Основы техники сушки. М.: Химия,1984. -320 с.
2. Голубев Л.Г.Сушка в химико-фармацевтической промышленности/ Л.Г.Голубев, Б.С.Сажин, Е.Р.Валашек.- М.: Медицина, 1978. -272 с.
3. Лыков М.В. Сушка распылением. М.: Пищепромиздат, 1955.
4. Лыков М.В.Распылительные сушилки/ М.В.Лыков, Б.И.Леончик.- М.: Машиностроение, 1966.
5. B.C. Швыдкий, М.Г. Ладыгичев, Д.В. Швыдкий Теоретические основы очистки газов: Учебник для вузов. / - М.: Машиностроение-1, 2001.-502с.
