CC BY
43
контакта филы рующей загрузки с хлорной водой должна быть около 1 суток. Библиографические ссылки
1. Экологическая безопасность технологических процессов. / Б.С.Сажин [и др.]; / МГТУ им. A.M. Косыгина. М.: Изд-во МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2007.
2. Очистка производственных сточных вод. / C.B. Яковлев [и др.]; ML : Стройиздат, 2005.
УДК 66.047 (088.8)
Б. С. Сажин, О. С. Кочетов, В. Б. Сажин*, Л. Б. Дмитриева, М. Б, Сажина**, А. В. Костылева. Е. О. Боброва, С. С. Шестаков, М. А. Апарушкина, А. С. Буток, М. А. Кипнис
Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина, Москва, Россия Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия Российский заоч ный институт текстильной и легкой промышленности, Москва, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ ДИСПЕРГИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ АКУСТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ
One of the important ways of an intensification of processes of drying of materials of dispersion is application of acoustic fields in modes of operation dusting and dust removal devices. In work the mode of operation dusting a dryer working by 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. As the first step of clearing of air from a dust of a product the cyclones placed in stmts, and connected by means of the sound channel with a sound column are used, and as the second step of clearing of air is used the filter sleeving. Frequency of acoustic waves of a sound column 1.2 lays in an optimum range of frequencies from 15 up to 16 kGz with intensity of a sound from 2 up to 3 Wsek, thus duration of processing is carried out by a radiator of a sound in a time interval from 2 about 5 minutes.
Одним из важных путей интенсификации процессов сушки диспергированных материалов является применение акустических полей в режимах работы распиливающих и пылеулавливающих устройств. В работе рассмотрен режим работы распылительной сушилки, 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. В качестве первой ступени очистки воздуха от пыли продукта используются циклоны, размещенные в стояках, и соединенные посредством звукового канала со звуковой колонной, а в качестве второй ступени очистки воздуха используется рукавный фильтр. Частота акустических волн звуковой колонны 12 лежит в оптимальном диапазоне частот от 15 до 16 кГц с интенсивностью звука от 2 до 3 Вт/сек. при этом продолжительность обработки излучателем звука осуществляется во временном интервале от 2 до 5 минут.
Одним из важных путей интенсификации процессов сушки диспергированных материалов является применение акустических нолей в режимах работы рашыливакицих и пылеулавливающих устройств. Рассмотрим ре-
жим работы распылительной сушилки, работающей по принципу параллельного тока движения раствора и теплоносителя, схема которой представлена на рис. 1. В качестве теплоносителя используется воздух, нагреваемый в газовом калорифере, а в качестве распиливающего устройства используется акустическая вихревая форсунка, схема которой приведена на рис.2.
Рис.1. Схема распылительной сушилки, работающей по принципу параллельного тока движении раствора и теплоносителя: 1-сушильная камера, 2-снстема воздуховодов для
подачи теплоносителя, 3-распыливающее акустическое устройство, 4-корпус сушильной установки, 5-стояки для размещения системы улавливания высушенного продукта, 6-циклон, 7-скребковое устройство, 8-приемный короб для готового продукта, 9-привод скребкового устройства, 10,16,17-буикер для сбора готового продукта, 11-емкость для исходного раствора, 12-звуковая колонна, 13-звуковой канал, соединяющий выход звуковой колонны с общим входом циклонов, 14-рукавный фильтр, 15-коллектор, соединяющий общий выход циклонов со входом рукавного фильтра, 18-смеситель исходного раствора с уловленным продуктом.
Рис. 2. Схема акустической форсунки. (Пояснения в тексте).
Вывод готового продукта из сушильной установки производится с помощью скребков 7 в приемный короб 8 для готового продукта, а затем в бункер 9 для сбора готового продукта. В качестве первой ступени очистки воздуха от пыли продукта используются циклоны б, размещенные в стояках 5, и соединенные посредством звукового канала 13 со звуковой колонной 12, причем выход звуковой колонны соединен с общим входом циклонов 6, а в качестве второй ступени очистки воздуха от пыли продукта используется рукавный фильтр 14, связанный через коллектор 15 с общим выходом циклонов. В емкости для исходного раствора предусмотрен смеситель 18 исходного раствора с уловленным продуктом, поступающим из бункеров
10,16,17, что позволяет исключить потери продукта. Частота акустических волн звуковой колонны 12 лежит в оптимальном диапазоне частот от 15 до 16 кГц с интенсивностью звука от 2 до 3 Вт/сек, при этом продолжительность обработки излучателем звука осуществляется во временном интервале от 2 до 5 минут.
Рассмотрим расчет сушилки на примере со следующими техническими условиями на протекание процесса распылительной сушки:
- максимально допустимая температура нагрева в процессе сушки исходного раствора - 110 °С; часовая производительность по сухому продукту Ог-400 кг/час; начальная и конечная влажность раствора и продукта №'| = 64,3 % и \ч2 =5 %; начальная температура воздуха перед сушилкой = 300 °С, температура воздуха за сушилкой 300 "С;
Для сушки используется наружный воздух с параметрами: (о—10 °С ; (¡0=1,47 г/кг; <р = 80%; 10= 1,53 ккал/кг. Для распыления раствора используем акустическую форсунку, представленную на рис.2. Геометрические размеры форсунки рассчитываем исходя из коэффициента расхода равного р =0,6 и давления р =100 атм. Тогда диаметр выходного сечения форсунки будет равен
50 - V (О, / (0,785 ц V (2ё А р/ р р))) =
= л/(2.4-1(Г7(0,785-0,6л'(2-9,81-99-104/1100))) =
= 1,95-Ю"' = 1,95 мм, (1)
где:0| - количество распыливаемого раствора в м /сек; рр -удельный вес раствора, равный 1100 кГ/м.
Акустическая форсунка для распыливания жидкостей содержит корпус 3, выполненный в виде цилиндрической втулки с двумя каналами 10 для подвода воздуха. По центру корпуса расположен стержень 16 с соосным корпусу воздушным каналом 8.
Жидкость из корпуса 3 форсунки через трубку 2, воздушный канал 8 и по крайней мере два противолежащих отверстая 15 вытекает на кольцевую площадку 17 через коническую поверхность 14 резонаторной шайбы 6. Угол между осью форсунки и направлением каждой струи жидкости из наклонных отверстий 15 лежит в оптимальном диапазоне: 55®*65в. В результате растекания струй жидкости образуется тонкая пленка над по крайней мере двумя выходными отверстиями 11, где эта пленка дробится пульсирующим потоком воздуха, поступающего из резонатора 4. Перпендикулярно оси корпуса 3 расположена трубка 1 для подвода воздуха, которая соединена с двумя каналами 10 для подвода воздуха. В корпусе, соосно его оси, расположены дроссельная шайба 7 с коническим отверстием 12 и цилиндрическим 13 и резонаторная шайба 6. В резонаторной шайбе 6 выполнены два противоположно направленных воздушных сопла 5 (прямоугольного сечения 1x3 мм) и по крайней мере два объемных резонатора 4 (размером 1,5x3*1,5 мм). Шайбы 6 и 7 скреплены между собой и с корпусом 3 посред-
ством обоймы 9, которая завалыдована в проточке 18 корпуса 3.
Согласно экспериментальным данным [1] максимальный диаметр факела распыла составляет 3,5 м. Принимаем диаметр сушильной камеры равным Вь=3,5 м.
Средняя скорость воздуха в камере и = 4(у'0 +у"о)Ь'(3600-2- 7еО\) = 4(1,65 + 1,19)8050/(3600-2-3,14-3,52) ~ 0,3 м./сек, что удовлетворяет основным требованиям работы сушилки.
Для работы форсунки в оптимальном режиме предусмотрены следующие соотношения ее параметров:
отношение диаметра (1 внутреннего отверстия воздушного канала 8 резонатора 4 к диаметру с^ внешней поверхности стержня 16 лежит в оптимальном интервале величин: с1 / с^ = 0,3^0,7;
отношение диаметра с! внутреннего отверстия воздушного канала 8 резонатора 4 к диаметру сЬ наклонных отверстий 15 лежит в оптимальном интервале величин: (1 / ¿2- 1,5тЗД
Работает форсунка следующим образом. Распыяивающий агент, например воздух, подается по трубке 1, затем по каналам 10, выполненным в корпусе 3. После чего поступает по отверстиям 12 и 13 в дроссельной шайбе 7 и через коническую поверхность 14 резонаторной шайбы 6, минуя резонатор 4, через отверстия 11 и воздушные сопла 5 выходит в направлении наклонных отверстий 15. Жидкость из корпуса форсунки 3 через трубку 2, воздушный канал 8 и по крайней мере два противолежащих отверстия 15 вытекает на кольцевую площадку 17 через коническую поверхность 14 шайбы 6. Акустические колебания распыливающего агента способствуют более тонкому распыливаншо раствора, подаваемого в кольцевой зазор, при этом, ударяясь, создает звуковые колебания, воздействующие на струю жидкости. Указанная форсунка обеспечивает хорошее качество распыления при малых расходах воздуха. Опыты показали, что при давлении воздуха 100 кПа средний диаметр капель составляет 90 мкм, при увеличении давления воздуха примерно в 4 раза (до 400 кПа) средний диаметр капель уменьшается незначительно и составляет 87 мкм.
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 36 даны для узкополосных резонаторов при необходимости компенсации мощности излучения в широкополосных резонансных системах. а схема Ъв - для синтеза узкополосных систем повышенной эффективности [14].
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 Гельмголь-ца)[15].
Максимальное увеличение энергии для одиночного резонатора будет
наблюдаться на резонансной частоте:
/,=0,5с(к,,/ГрГ/х , (2)
где кр - проводимость отверстий .соединяющих трубопровод с ре-зонаторной камерой объемом Ур (м~);
к = "'V N
" /(и+одц/^)'
(3)
где п - количество отверстий во вставке; Бо - площадь одного отверстия диаметром с!о ,м*: /отв - глубина отверстия, м.
1 Л 2
I V
¿¡¡..а*
а
5
в
Ш
К у 1
Г а \ !
стиуеехс },„, и, ) , ,..,„1 Ч
?оа 4wr.ru
Л
1 в 1
А»--' ;
* амязсть 1 1 1 ....... : , 1 1
sanf.ru,
Рис. 3. Системы из резонаторов и их характеристики: я - система из двух резонаторов Гельмгольца: I и 2 - резонаторы; 3 - соединительная труба; б - система из трех резонаторов; е - составной глушитель из четвертьволновых резонаторов; г и д — характеристики систем а, 6, в при одинаковом суммарном объеме камер резонаторов
Задаваясь величиной объема Ур резонаторной полости, а также резонансной частотой /р., Гц, определяем проводимость отверстий :
Ьр=4Урх 2/рс-\ (4)
и их количество п = кр[1т, + 0,8^/5^)/^о • (5)
Эффективность снижения уровня шума данного глушителя
AL = 101gll +
Ч///,-/„//)
2 1
К (6)
где F - площадь поперечного сечения трубопровода, м"; /./„ - соответственно возбуждающая и собственная частоты резонатора.
Теперь рассмотрим применение акустических полей в режимах работы пылеулавливающих устройств. В качестве первой ступени очистки принимаем для пылеотделения циклоны системы НИИОГАЗ ЦН-15, вход которых соединен с выходом звуковой колонны, частота акустических волн которой лежит в оптимальном: диапазоне частот от 15 до 16 кГц с интенсивностью звука от 2 до 3 Вт/сек, при этом продолжительность обработки излучателем звука осуществляется во временном интервале от 2 до 5 минут
Принимаем диаметр циклона 0,52 м. Тогда сопротивление его будет
равно
Др,,= с, p,.uv2 / 2g = 105-0,9-3,12/2 • 9,81 = 46 мм вод. ст.,
где uv - условная скорость воздуха в циклоне, равная: 3,1 м/сек.
В качестве второй ступени улавливания пыли продукта используем рукавный фильтр.
Выбор вентилятора, подающего воздух в сушилку. Производительность вентилятора
V( = Lvo = 8050 • 0,76 = 6120 м3/час,
где ve— удельный объем воздуха при t().
Сопротивление фильтра для воздуха 20 мм вод.ст., нагревателя 50 мм вод.ст. и воздуховодов 20 мм вод. ст.
По характеристике (Vi=6120 м /час, Др'= 81 мм вод. ст.) выбираем вентилятор серии ВРН К» 5; п = 1730 об/мин.. г]„ = 0,63. Тогда расход электроэнергии будет равен
N2 = V, Др / (3600-102- v ti„) = 6120-90/(3600 -102 0,63-0,9) = 2,65 Квт.
Выбор вентилятора, отсасывающего воздух из сушилки. Производительность вентилятора будет равна
v„= I,cKv"= 8855 ■ 1,18 = .10700 м'/час,
где V" - удельный объем воздуха при 1'ск.
Сопротивление сушилки, циклонов, звуковой колонны и воздуховодов при соответствующих температурах равно Др' = 120 мм вод.ст. Сопротивление системы, отнесенное к 20 °С, равно
Др = Др'( 273 +1' ,в) /293 = 120 (273 + 93 ) / 293 = 152 мм вод.ст.
По конструктивным соображениям устанавливаем два вентилятора.
По характеристике ( ¥'„ = 5350 м3/час и Др= 152 мм вод.ст.) выбираем вентилятор системы ВРС X» 4; п = 1620 об/мин, г|в= 0,57. Расход электроэнергии на два вентилятора составит
N3 = 2V| Др' / (3600-102- rjD-11„) = 2-5350 120 / (3600-102-0,57-0,9) = 6,85 квт.
Таким образом, из анализа проведенных исследований следует, что при постоянной производительности форсунки качество распыливаиия зависит от акустической мощности, создаваемой резонансным излучателем форсунки, которое приводит к более качественному распыливанию жидкости, повышая тем самым эффективность применения акустических форсунок.
Рассмотрим структуру акустического воздействия на вторую ступень системы улавливания продукта. Акустический пограничный слой у плоской твердой стенки (плоскость хг). считая движение происходящим в плоскости ху. Учитывая приближения, обусловленные малой толщиной пограничного слоя, и нестационарный характер течения, запишем уравнение Прандтля в следующем виде:
ди ди ди Э*м 8U 8U
— + и — + v--v—г =--+ и--(7)
дт дх ду ду' дт дх
здесь производная dp/dx выражена через скорость U(x,y) ядра потока в соответствии с уравнением Эйлера. В рассматриваемом случае
U= vqcos(kc) -сок (сох) = vocosfkx) ■ Re[exp(-ion))J, (8)
где k - 2kíK - со/с, что соответствует стоячей плоской звуковой волне с угловой частотой &>, Re означает вещественную часть комплексного числа, а амплитуда колебаний скорости газа в звуковой волне в целях единообразия параметров уравнения (7) обозначена через vq.
Будем решать уравнение (7) последовательными приближениями по малой величине vo. В первом приближении полностью пренебрегаем конвективным ускорением потока, т.е. слагаемыми и(ди/дх) + v(óu/dy). Тогда (с учетом соотношения (8)) уравнение (7) существенно упрощается
--1/—__ = -¿0vo eos(fa)-exp(-/'<yi') (9)
¿)r ду
Решение этого уравнения, удовлетворяющее граничным условиям и(|) = 0 при у - 0 и u(1) = Uпри у ~ оо, имеет вид
ы(1)= Re{v0 cos(far)- ехр(- ia>t\l - ехр(- ,£>■)]}
где
V v д
Функция тока у/(х, у), однозначно определяющая компоненты скорости потока в пограничном слое в соответствии с соотношениями
_ ду/ _ ду/
ду дх
и удовлетворяющая условию У = 0 при у - 0 (эквивалентному условию v(l) = 0), описывается выражением:
Г(,!= Re{v0 cos(Ax)■ ¿Г("(>)ехр(-/ьп)} , (11)
где i",Cv) = J' + (l/z)exp(-/^)
В следующем приближении представим скорость в виде двух составляющих v = у® + v(2), причем для поправки v® из (7) получаем уравнение
8 т ду2 дх дх ду
В правой части этого уравнения имеются слагаемые с частотами: со+ а>=2со и со - со = 0. Последние приводят к появлению в выражении для v(2) независящих от времени слагаемых, которые описывают интересующее нас стационарное движение; далее мы будем понимать под v(2) только эту составляющую скорости. Соответствующую часть функции тока запишем в виде
^ Ат(2кх)-^(у) (13)
с
где функция ¿¡т(у) определяется уравнением
¿Vt2r=0,5-0,5|<rin'|2 + 0,5 • Re^'1'^1"") (14)
здесь штрихи означают дифференцирование по у.
Решение полученного уравнения должно удовлетворять условиям ¡;(2)(0) = 0, ^,2)'(0) = 0, эквивалентным равенствам u(2) = v(2) = 0 на твердой поверхности. Что же касается условий вдали от стенки, то можно лишь потребовать, чтобы скорость ц(2) стремилась к конечному значению (но не к нулю). Подстановка (12) в (15) и двукратное интегрирование приводят к сле-дующему результату для производной Q :
1 f ИГ (И . (у)]
+ — exp -— cos — -sm —
AS 4 s)_ [sj Uv_
При у —► оо эта производная стремится к значению £и'(=о) соответствует скорость
ит(<х>) = —-8т(2Ьс) ч / 8с к ;
3/8, чему
(15)
Полученный результат имеет ту характерную особенность, что он описывается периодической функцией. Физический смысл такого решения заключается в установлении регулярных периодических структур в потоке газа, находящемся в поле звуковых волн. Определение конкретного вида и типа подобных структур требует учета размеров и геометрической конфигурации области движения. В частном случае акустического течения в пространстве между двумя плоскопараллельными стенками (плоскостиу = Оиу = к),В котором возникает стоячая звуковая волна, стационарные составляющие компонент скорости газа описываются выражениями
16 с
„(2) .
¡(2 кх)
(у-Уг)2" Ш
М (у-й/2У]
т \
(16)
У~
Нетрудно установить, что скорость и(2) изменяет знак на расстоянии (.Ъ/2)(1 - ГЛ) = 0,423(Ь/2) от стенки.
Течение, описываемое приведенными формулами, состоит из двух рядов вихрей, симметрично расположенных относительно серединной плоскости у = Ъ/2 и периодичных вдоль оси х с периодом А/2. На рис. 4 представлена иллюстрация подобной структуры при Ь = 1 м и V = 165 Гц.
Рис. 4. Вихревые структуры при движении газа в акустическом поле
Выводы. В работе рассмотрен режим работы распылительной сушилки, работающей по принципу параллельного тока движения раствора и теп-
поносителя, причем в качестве распиливающего устройства используется акустическая вихревая форсунка. В качестве первой ступени очистки воздуха от пыли продукта используются циклоны, размещенные в стояках, и соединенные посредством звукового канала со звуковой колонной, а в качестве второй ступени очистки воздуха используется рукавный фильтр. Частота акустических волн звуковой колонны лежит в оптимальном диапазоне частот от 15 до 16 кГц с интенсивностью звука от 2 до 3 Вт/сек, при этом продолжительность обработки излучателем звука осуществляется во временном интервале от 2 до 5 минут.
Библиографические ссылки
1. Сажин B.C. Основы техники сушки. М.: Химия, 1984. 320 с.
2. Голубев Л.Г., Сажин B.C., Валашек Е.Р. Сушка в химико-фармацевтической промышленности. М.: Медицина, 1978. 272 с.
3. Лыков М.В. Сушка распылением. М.: Пищеиромиздат, 1955.
4. Лыков М.В., Леончик Б.И. Распылительные сушилки. М.: Машиностроение, 1966.
5. Гинзбург A.C. Расчет и проектирование сушильных установок пищевой промышленности. М.: Агропромиздат, 1985.
6. Пажи Д.Г., Корягин A.A., Ламм ЭЛ. Распыливающие устройства в химической промышленности. М.: Химия, 1975. 200 с.
7. Пажи Д.Г., Галустов B.C. Распылители жидкостей. М.: Химия, 1979. 216 с.
8. Источники мощного звука../ [Под ред. Л. Д. Розенберга]. М.: Наука, 1967.420 с.
9. Мерч И. // Механика, 1965. № 2. С. 90.
10. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. 480 с.
11. Дитякии К). Ф., Ягодкин В. И. //Труды ЦИАМ им. П. И. Баранова. 1973. 585. С. 20.
12. Я.Д. Рудаков [и др.]; // Теплоэнергетика, 1972. № 10. С. 81.
13. Физические основы ультразвуковой технологии / [Под ред. Л. Д. Розенберга]. М.: Наука, 1970. 168 с.
14. Борьба с шумом на производстве: Справочник / [Под общ. ред. Е.Я. Юдина]. М.: Машиностроение, 1985. 400 с.
15. Кочетов О.С., Сажин B.C. Снижение шума и вибраций в производстве: Теория, расчет, технические решения. М., 2001.319 с.
16. Швыдкий B.C., Ладыгичев М.Г., Швыдкий Д.В. Теоретические основы очистки газов: Учебник для вузов. М.: Машиностроение-!, 2001. 502 с.
17. Белоусов В. В. Теоретические основы процессов газоочистки. М.: Металлургия, 1988. 256 с.
18. Грин X., Лейн В. Аэрозоли - пыли, дымы и туманы. М.: Химия, 1969.428 с.
19. Лукин В.Д., Курочкина М.И. Очистка вентиляционных выбросов в химической промышленности. Л.: Химия, 1980. 232 с.
20. Райст П. Аэрозоли. Введение в теорию. / [Пер. с англ.]. М.: Мир, 1987. 280 с. 21Теверовский E.H., Дмитриев Е. С. Перенос аэрозольных частиц турбулентными потоками. М.: Энергоатомиздат, 1988. 160 с.
22. Очистка промышленных газов от пыли. / В.Н.Ужов [и др.]; М.: Химия, 1981. 392с.
