CC BY
84
УДК 66.047 (088.8)
Б.С. Сажин, О.С. Кочетов, М.В. Сошенко, О.В. Платонова, М.А. Апарушкина, Е.О. Боброва, В.Б. Сажин
Московский государственный текстильный университет им. А.Н.Косыгина, Москва, Россия Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ ВИХРЕВОЙ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СУШИЛКИ C АКУСТИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ В ЗОНЕ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ РАСТВОРА
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 de-dusters, 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.
Исследуем режимы работы вихревой распылительной сушилки, работающей по принципу параллельного тока движения раствора и теплоносителя при акустическом воздействии в зоне диспергирования раствора, 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.
Расчет будем вести для 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 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 по-
рошкообразного экстракта W2 = 2 %; продолжительность непрерывной работы сушильной установки 23 ч/сут; температура воздуха в помещении tв = 20 °С; температура оштукатуренных стен сушильного помещения = 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 ^нр = 40 МДж/кг) пт = 0,95; сопротивление воздушных трактов, калорифера и системы улавливания пыли продукта, установленного на выходе газов из сушильной камеры, Дp = 1 кПа; коэффициент запаса мощности электродвигателя для привода вентилятора m = 1,05; эффективный КПД вентилятора Пв = 0,7; механический КПД вентилятора пм = 0,97; КПД передачи от электродвигателя к вентилятору пп = 0,95. Внутренний объем одной сушильной камеры V = U/Av = 0,16/3,62 10-3 = 44,2 м3.
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.
С учетом выражения Hцил = внутренние размеры вихревой камеры, имеющей коническое днище с углом раскрытия конуса 60°, составляют:
Dk = 4,3 м; ^ил = 2,1 м; Ц^н = 3,4 м.
Диаметр выхлопного патрубка dвЫx = (0,10 - 0,15) 4,3 = 0,52 м.
Путь перемещения частицы максимального размера в радиальном направлении
при
^ = (1,0 - 1,3) 85 = 100 °С и Rф = 0,5 Rк ; z = 0,36 м.
Таким образом, габариты камеры обеспечивают высушивание распыленного продукта., при этом сушильная камера изготовлена из листовой стали толщиной 5ст = 3
мм, теплоизолирована слоем стекловаты 5из = 70 мм и обшита листом 5ст = 1 мм, т.е. наружный диаметр камеры Б2 = 4,45 м.
Акустическое распыливающее устройство (рис.2) состоит из полого цилиндрического корпуса 1, конического диффузора 2, подвижно закрепленного на одном из его концов, внутренней, коаксиально расположенной корпусу 1, трубы З, подающей рас-пыливаемое топливо с наконечником 4, выполняющим функции распылителя и расположенном соосно раструбу диффузора 2.
Рис. 2. Схема акустического распылителя.
Внешняя поверхность наконечника выполнена в виде усеченного конуса, конусность которого совпадает с конусностью диффузора 2. Наконечник 4 жестко крепится на конце трубы 3, например посредством резьбового соединения. Он состоит из двух раздельных частей 4 и 6, скрепленных между собой болтовым крепежным элементом 7, таким образом, что между его частями имеется зазор «а», образованный двумя соос-ными коническими поверхностями этих раздельных частей, причем направление конических поверхностей, образующих зазор «а» противоположно конической поверхности усеченного конуса, образующего его внешнюю поверхность. На меньшем основании усеченного конуса наконечника выполнена цилиндрическая проточка, которая образует с внешней поверхностью трубы 3 кольцевую резонирующую полость А. Сопловая щель 5 образована двумя цилиндрическими поверхностями: внутренней поверхностью корпуса 1 и внешней - трубы 3. На конце корпуса, обращенного в сторону наконечника 4 расположена вторичная резонирующая полость Б, образованная в торце корпуса и выполненная по форме в виде открытой тороидальной поверхности.Акустический распылитель работает следующим образом.
Жидкость, например жидкое топливо поступает по трубе З в наконечник 4, а оттуда через зазор «а» выходит в зону акустических колебаний, источником которых является газовая среда, вытекающая из сопловой щели 5 в резонирующую полость А.
Под действием энергии акустических колебаний жидкость распыливается и затем, увлекаемая отработанной в излучателе газовой средой (имеющей определенное направление за счет величины зазора между наконечником 4 и диффузором 2), образует факел распыленной жидкости. Заданная форма факела может быть получена путем перемещения диффузора 2 вдоль оси распылителя. Акустические колебания,
возникающие в системе «сопловая щель 5 - резонирующая полость А», усиливаются во вторичной резонирующей полости Б.
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 [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 Гельмгольца) [15].
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 :
/р = 0,5с(кр / Ур )0,5/ я- , (1)
где кр - проводимость отверстий ,соединяющих трубопровод с резонаторной камерой объемом Vр (м3);
и = п$0/ р + 0,8^)
(2)
где п - количество отверстий во вставке; So - площадь одного отверстия диаметром ёо ,м ; /отв - глубина отверстия, м.
Задаваясь величиной объема Vр резонаторной полости, а также резонансной частотой _/р, , Гц, определяем проводимость отверстий :
2 г -2
2 " " 2 (3)
к = 4У„ я /с ~2
р р л р 1
и их количество
п = кр (Iотв + 084^0
(4)
где F - площадь поперечного сечения трубопровода, м2; / / р - соответственно возбуждающая и собственная частоты резонатора.
Таким образом, из анализа проведенных исследований следует, что при постоянной производительности форсунки качество распыливания зависит от акустической мощности, создаваемой резонансным излучателем форсунки, которое приводит к более качественному распыливанию жидкости, повышая тем самым эффективность применения акустических форсунок.
Рассмотрим эффективность воздействия акустического поля звуковой колонны на коагуляцию частиц первой ступени улавливания пыли продукта.
Пусть направление звуковой волны совпадает с направлением силы тяжести. Тогда уравнение колебания частицы аэрозоля в акустическом поле имеет вид:
или
d2 х ( dx Л
шч = —-- = (шч - тг )g + 2ж/лгdч Uг cos(ax)-
dx l dT
dx dx
p dx2 dx
- = Ur cos(ax)+b
(5)
где Ь = - (1 - Рг/Рч) = V, (1 - Рч/Рг); ^ =шч / (Зя^ч) = Рч йч/(18^г). Решение уравнения (3) при начальных условиях х = ёх/ dт = 0 при т = 0 имеет вид
<W=tpg
i р> 1 -р
р
ч
т-1
( Y
1 - exp
V p J
+—tp exp
Ur p
( \
v p J
+ —— sin(ax - (p) (6)
a
Здесь
—2 =
UT
д/i + a tp
_ A a sin(2лх/Л)
I 1 +
S Л 2 Л 2 Яр-d V
V
9^г
J
(7)
I \ (яр ^
р = аШяШ„ I = аШя —(8)
р' ^ 9^ )
Отношение амплитуд колебаний частицы и газа равно отношению амплитуд их скоростей, так как последние увеличиваются исключительно в зависимости от угловой частоты, т.е.
Хч /ХГ = ич / иг
При ХЧ/ХГ = const значение d4 v также становится постоянным. Каждому значению d^v, следовательно, соответствует определенное отношение амплитуд. Из этого отношения для частицы с заранее заданным размером можно вычислить частоту, необходимую для обеспечения требуемой амплитуды колебаний.
На рис. 4 показаны зависимости ХЧ/ ХГ от диаметра частицы d4 для различных частот колебаний при вязкости воздуха цг = 18 • 10-6 Па • с и плотности частиц рч = 1000 кг/м3. Из рисунка следует, что до определенных размеров взвешенная частица колеблется практически вместе с газовой средой. Эти размеры принято называть крити-
т
т
х
ческими для соответствующих частот. Точки пересечения прямой ХЧ/ХГ = 0,8 с приведенными на рисунке кривыми являются точками критических размеров частиц.
Шщ
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)
Пользуясь критической величиной, можно установить три различных области влияния колебаний на коагуляцию частиц. Первая лежит ниже критической величины, равной 2,15, и соответствует процессу, при котором взвешенные частицы совершают полные колебания практически совместно с колебаниями газовой среды. Во второй области, в которой значения й/у близки к критической величине, частицы совершают неоднородные (негармонические) колебания. В третьей области (выше критической величины) частицы не совершают колебаний, и аэрозоль снова ведет себя как однородная масса.
Промышленные газы обычно содержат взвешенные частицы различного диаметра, т.е. они являются полидисперсными системами. Поэтому в акустическом поле частицы одной и той же пыли колеблются с разными амплитудами и разными фазами. Так, например, при частоте V = 5 кГц капельки воды диаметром менее 1 мкм будут колебаться практически с той же амплитудой, что и газовая среда, тогда как частицы диаметром 10 мкм имеют амплитуду, величина которой составляет 5% от амплитуды колебаний газа. Если увеличить частоту колебаний до 25 кГц, то капельки воды диаметром 1 мкм будут иметь амплитуду, равную приблизительно 90% амплитуды колебаний газа. Чтобы уменьшить относительную амплитуду колебаний капелек диаметром 1 мкм на 50%, следует повысить частоту примерно до 90 кГц. Однако, благодаря разнице в фазе колебаний, даже когда относительная амплитуда колебаний капельки составляет 0,5, максимальная относительная скорость газа по отношению к капельке составляет лишь 87% той скорости, которая могла бы быть, если бы частица оставалась неподвижной.
Выводы. Проведено исследование акустического воздействия в зонах диспергирования раствора вихревой распылительной сушильной установки. 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.
Список литературы
1. Сажин, Б.С. Основы техники сушки/ Б.С.Сажин. -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.В.Лыков.- М.: Пищепромиздат, 1955.
4. Лыков, М.В. Распылительные сушилки/ М.В.Лыков, Б.И.Леончик.- М.: Машиностроение, 1966.
5. Гинзбург, А.С. Расчет и проектирование сушильных установок пищевой промышленности/ А.С.Гинзбург.- М.: Агропромиздат, 1985.
6. Пажи, Д.Г. Распыливающие устройства в химической промышленности/ Д.Г.Пажи,
A.А.Корягин, Э.Л.Ламм. - М.: Химия, 1975. - 200 с.
7. Пажи, Д.Г. Распылители жидкостей/ Д.Г. Пажи, В.С.Галустов.- М.: Химия, 1979. -216 с.
8. Источники мощного звука / Л.Д.Розенберг, ред.- М.: Наука,1967. - 420 с.
9. Мерч Н. //Механика, 1965.- № 2.- С. 90.
10. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. - 480 с.
11. Дитякин, Ю.Ф./ Ю.Ф.Дитякин, В.И.Ягодкин //Труды ЦИАМ им. П. И. Баранова, № 585.- 1973.- С. 20.
12. Рудаков, Я.Д./ Я.Д.Рудаков, З.И. Генчер и др.//Теплоэнергетика.- 1972, № 10.- С. 81.
13. Физические основы ультразвуковой технологии // Л.Д.Розенберг, ред.- М.: Наука, 1970. - 168 с.
14. Борьба с шумом на производстве: Справочник / Е.Я. Юдин, ред. - М.: Машиностроение, 1985. - 400 с.
15. Кочетов, О.С. Снижение шума и вибраций в производстве: теория, расчет, технические решения/ О.С.Кочетов, Б.С.Сажин.- М.: МГТУ.- 2001.- 319 с.
16. Швыдкий, B.C. Теоретические основы очистки газов: учебник для вузов/ B.C. Швыдкий, М.Г. Ладыгичев, Д.В. Швыдкий. - М.: Машиностроение-1, 2001.- 502 с.
17. Белоусов, В.В. Теоретические основы процессов газоочистки/ В.В.Белоусов. - М.: Металлургия, 1988. - 256 с.
18. Грин X. Аэрозоли - пыли, дымы и туманы/ X.Грин, В.Лейн. - М.: Химия, 1969. -428 с.
19. Лукин, В.Д. Очистка вентиляционных выбросов в химической промышленности/
B.Д.Лукин, М.И.Курочкина. - Л.: Химия, 1980. - 232 с.
20. Райст, П. Аэрозоли. Введение в теорию/ П. Райст. - М.: Мир, 1987. - 280 с.
21. Теверовский, Е.Н. Перенос аэрозольных частиц турбулентными оттоками/ Е.Н.Теверовский, Е.С.Дмитриев. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 160 с.
22. Ужов, В.Н. Очистка промышленных газов от пыли/ В.Н.Ужов, А.Ю.Вальдберг, Б.И.Мягков, И.К.Решидов. - М.: Химия, 1981. - 392 с.
