CC BY
62
УДК 66.047 (088.8)
Б.С. Сажин, О.С. Кочетов, Г.А. Кесоян, В.Б. Сажин, А.В. Костылева, Е.В. Отрубянников
Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина, Москва, Россия Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ В ЗОНЕ УЛАВЛИВАНИЯ ПЫЛИ ПРОДУКТА ВИХРЕВОЙ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СУШИЛКИ
In work calculation vortical dusting 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 dust removal system , working on a principle of the acoustic coagulation, containing the inertial deduster connected to a sound column is used, and as the second step of clearing is used the sleeving filter. As a result of calculation it is revealed, that optimum parameters for sound processing are: a level of sound pressure in a range 130 ... 145dB, frequency of sound fluctuations in a range 900 ... 2000 Gz, time of scoring in a range 1,5 ... 2,5 sek, concentration of a dust in an air stream - not less than 2 g/m3.
В работе 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 система пылеулавливания, работающая на принципе акустической коагуляции, содержащая инерционный пылеуловитель, соединенный со звуковой колонной, а в качестве второй ступени очистки используется рукавный фильтр. В результате расчета выявлено, что оптимальными параметрами для звуковой обработки являются: уровень звукового давления в диапазоне 130.. .145 дБ, частота звуковых колебаний в диапазоне 900...2000 Гц, время озвучивания в диапазоне 1,5.2,5 сек, концентрация пыли в воздушном потоке - не менее 2 г/м3.
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. 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. Рассмотрим расчет вихревой распылительной сушилки для следующих исходных данных: количество экстракта, сгущенного до 55 % сухого воздуха равно G1 = 60 т/сут; параметры наружного воздуха: барометрическое давление 100 кПа; зимой t0 = 10,8 °С, ф0 = 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 tcr = 15 °С; коэффициенты теплопроводности: теплоизоляционного материала (минеральная вата) Хств = 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 (Q/ = 40 МДж/кг) пт = 0,95; сопротивление воздушных трактов, калорифера и системы улавливания пыли продукта, установленного на выходе газов из сушильной камеры, Ap = 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 = 0^1 - Ш2)/(100 - = 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
02 = 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^)
^(2,3) = К + 4,32)е ^ =49,4мкм,
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.
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 Эк и температуре газа в сушильной камере ^ = 100 °С
Ке=и д ,у= 10,66• 4,3 =19,26.105.
При Яе > 5 число Нуссельта Ки = 0,032Яе
0,238.10 0,8
(3)
Ыи1 = 0,032(19,26 • 105 )0,8 = 3410,96 и коэффициент теплоотдачи от воздуха сушильной камеры к стенке составит
а = ЫихЛ/Бк = 3410,96 • 0,0311/4,3 = 24,67Вт/(м2 • К) Коэффициент теплоотдачи от поверхности изоляции в окружающую среду определяется при температуре наружной поверхности стенки сушильной камеры
^-н.ст 30 С.
Критерий Грасгофа
Ог=-
gD¡ (гн,ст - Л 9,81 • 4,453 (30 - 20)_
V2
Тв
Произведение критериев Грасгофа и Прандтля
(0,1051 -10-4 ) 293
= 128,46 • 109. (4)
Ог Рг = 128,46 • 0,703 = 90,31 • 109. При ОгРг = 30,31-109 число Ш2 = 0,135(0гРг)(1/3) = 605,68.
Отсюда коэффициент теплообмена естественной конвекцией наружной стенки с окружающей средой
а2 = Ыи2Л/= 605,68• 0,0256/4,45 = 3,48Вт/(м2 • К). Приведенный коэффициент излучения наружной поверхности стенки сушилки с ко-
2 4
эффициентом излучения С1 = 3,20 Вт/(м К) к стенам помещения [С2 = 5,33 Вт/(м2 К4)]
С1-2 - С,С2 / 5,8 = 3,20 • 5,33/5,80 = 2,94Вт/(м2 • К4). Теперь рассчитаем коэффициент теплоотдачи излучением
= С1-2 |(Сн.ст /100)4 -(Сст /100)4 |= 2,94[(303/100)4 -(288/100)4 ] = 4 2 ^ (5)
2л t -1 30 - 20
н.ст в
Суммарный коэффициент внешнего теплообмена
а2 = а' + а"л = 3,48 + 4,55 = 8,03Вт/(м2 • К). Коэффициент теплопередачи от сушильного агента воздуху цеха
к =
1/а1 + ££/Л + 1/а2 (6)
= 0,73Вт /(м2 • К).
(1 / 24,67) + (0,003 / 46) + (0,07 /0,058) + (0,001/ 46) + (1 / 8,03) Средняя разность температур сушильного агента и воздух в цехе
Д^-Дt2 (190 - 20)- (85 - 20)
Дt =-1-2-= —---—---— = 109 34°С (7)
^ 2,3 lg(t1 - tв)/(t2 - tв) 2,3^(190 - 20)/(85 - 20)
Интенсивность теплопотерь через ограждения сушильной камеры
цсп = К^ср = 0,73 • 109,34 = 79,82Вт/м2.
1
1
На рис.2 приведена схема акустического пылеулавливания. Запыленный газовый поток подается через патрубок 10 в акустическую колонку 8, параметры звуковых колебаний которой настраиваются от блока управления 12. В звуковой колонке 8 проис-
ходит отделение от воздуха пылевых частиц, так как под действием звукового поля и связанных с ним колебательных процессов, происходящих в воздушной среде, пылевые частицы коагулируются, а крупные частицы оседают вниз колонны, откуда воздушный поток поступает на вторичную очистку в циклоне через воздуховод 9 на ввод 1.
При воздействии звуковых и ультразвуковых волн на промышленные газы, содержащие взвешенные частицы, можно при определенных условиях добиться такого колебательного движения частиц, при котором значительно увеличивается вероятность столкновения частиц друг с другом, в результате чего частицы слипаются, образуя крупные агрегаты (коагулируют), что значительно облегчает последующую очистку газов в газоочистных аппаратах.
Согласно современным представлениям на взвешенные в газах частицы при воздействии акустических колебаний действуют три основных фактора: совместное колебание частиц и газовой среды, динамические силы между соседними частицами и давление акустической радиации.
В зависимости от условий взвешенная частица либо участвует в колебаниях среды (полностью или частично), либо не участвует вовсе. Оптимальными параметрами для звуковой обработки являются: уровень звукового давления в диапазоне 130.. .145 дБ, частота звуковых колебаний в диапазоне 900.2000 Гц, время озвучивания в диапазоне 1,5.2,5 сек, концентрация пыли в воздушном потоке - не менее 2 г/м3.
Рис.2. Схема акустического циклона с подсоединением акустической колонки к вводу газового потока циклона: 1- входной патрубок, 2- выходной патрубок, 3- винтообразная крышка,
4- выхлопная труба, 5-цилиндрическая часть корпуса, 6- коническая часть корпуса, 7- фильтрующий элемент, 8- акустическая колонка, 9- воздуховод, соединяющий циклон с акустической колонкой, 10- входной патрубок запыленного газового потока, 11- генератор
звуковых колебаний, 12-блок управления.
Если принять в качестве упрощающего условия, что между взвешенной частицей и колеблющейся средой действуют силы Стокса, то можно записать
^ = Ъпцгйч (Vг - уч) (8)
где уг - скорость газа. Это допущение справедливо для частиц диаметром до 4 мкм и при частотах колебаний до 10 кГц.
Учтем теперь, что вихревое движение газа вызывает соответствующее движение частиц аэрозоля. Гидродинамическая сила пропорциональна квадрату скорости газа, т.е., в конечном счете, энергии звуковой волны. В соответствии с этим, в монодис-
персном аэрозоле с частицами диаметром ё на частицу, расположенную на расстоянии х от пучности колебаний, действует сила, равная в первом приближении
5п2 ё3
Рр тах = Еа ^П(2кх) = (2кх)
На рис. 3 показано последовательное распределение относительной концентрации частиц, которые в начальный момент времени были распределены равномерно. Как показывают расчеты, в этих условиях концентрация частиц в пучностях колебаний за 20 с возрастает вдвое, а за 40 с - втрое.
Рис. 3. Изменение относительной концентрации частиц в акустическом поле: 1 - исходное
состояние; 2 - через 23 с; 3 - через 43 с.
Выводы.
Анализ проведенных исследований по акустической коагуляции, изложенный в работе, позволяет предполагать, что использование данного процесса может существенно повысить эффективность улавливания частиц при следующих параметрах звуковой обработки: уровень звукового давления в диапазоне 130.145 дБ, частота звуковых колебаний в диапазоне 900.2000 Гц, время озвучивания в диапазоне 1,5.2,5 сек, концентрация пыли в воздушном потоке - не менее 2 г/м3, что указывает на целесообразность применения акустической коагуляции при модернизации процесса улавливания продукта после сушки в распылительной сушилке на ОАО «РЕАТЕКС».
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.Распылительные сушилки/ М.В.Лыков, Б.И.Леончик.- М.: Машиностроение, 1966.
4. Гинзбург А.С. Расчет и проектирование сушильных установок пищевой промышленности. М.: Агропромиздат, 1985.
5. Швыдкий B.C. Теоретические основы очистки газов: Учебник для вузов/ B.C. Швыдкий, М.Г. Ладыгичев, Д.В. Швыдкий.-М.: Машиностроение-1, 2001.-502с.
6. Ужов В.Н. Очистка промышленных газов от пыли/ В.Н.Ужов, А.Ю.Вальдберг, Б.И.Мягков, И.К.Решидов. - М.: Химия, 1981. - 392с.
