CC BY
32
УДК 66.047 (088.8)
О.С. Кочетов, В.Б. Сажин, Л.Я. Живайкин, М.В. Сошенко, А.В. Костылева, М.А. Апарушкина
Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина, Москва, Россия Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ СУШКИ ДИСПЕРГИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В РЕЖИМАХ РАБОТЫ РАСПЫЛИВАЮЩИХ И УЛАВЛИВАЮЩИХ УСТРОЙСТВ
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 struts, 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 12 lays in an optimum range of frequencies from 15 up to 16 ^z with intensity of a sound from 2 up to 3 Vt/sek, 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 распыливающих 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 полей в режимах работы распыливающих и пылеулавливающих устройств. Рассмотрим режим 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 распыливающего устройства используется акустическая вихревая форсунка, схема которой приведена на рис.2.
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 6, 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 01=400 кг/час; начальная и конечная влажность раствора и продукта = 64,3 % и W2 =5 %; начальная температура воздуха перед сушилкой ^ = 300 °С, температура воздуха за сушилкой 1;2 = 300 °С;
Для сушки используется наружный воздух с параметрами: ^ =-10 °С ; ёо =1,47 г/кг; ф = 80%; 1о = 1,53 ккал/кг.
2
Рис.1. Схема распылительной сушилки, работающей по принципу параллельного тока движения раствора и теплоносителя: 1-сушильная камера, 2-система 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-бункер 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.
Для распыления раствора используем акустическую форсунку, представленную на рис.2. Геометрические размеры форсунки рассчитываем исходя из коэффициента расхода равного ц =0,6 и давления р =100 атм. Тогда диаметр выходного сечения форсунки будет равен
5о = V (О1 / (0,785 ц V (2§ А р/ р р ))) = ■^(2,4-10"/7(0,785-0,6^(2-9,81-99-104/1100))) = =1,95-10"3 = 1,95 мм, (1)
где:01 - количество распыливаемого раствора в м3/сек; р р - удельный вес раствора, равный 1100 кГ/м.
Согласно экспериментальным данным [1] максимальный диаметр факела распыла составляет 3,5 м. Принимаем диаметр сушильной камеры равным Бк=3,5 м. Средняя скорость воздуха в камере
и = 4(у'0 +у"0)Ь/(3600^ лБ2к) = 4(1,65 + 1,19)8050/(3600-2-3,14-3,52) ~ 0,3 м/сек, что удовлетворяет основным требованиям работы сушилки.
Рис. 2. Схема акустической форсунки: 1-корпус, 2-коллектор, 3,9-штуцер, 4-дроссельное отверстие, 5-полость, 6-полый стержень, 7-корпус распределительной головки, 8-торцевая выточка, 10-демпфирующая полость, 11-калиброванные отверстия.
Акустические колебания распыливающего агента способствуют более тонкому распыливанию раствора, подаваемого в распределительную головку 7 через полый стержень 6, из которой раствор подается в виде пленки жидкости, перекрывающей выход распыливающего агента из генератора звуковых колебаний, образованного резонатором 8. Эта пленка дробится под воздействием акустических колебаний воздуха на мелкие капли, в результате чего образуется факел распыленного раствора с воздухом, корневой угол которого определяется величиной угла наклона конической поверхности крышки распределительной головки 7. 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 при необходимости компенсации мощности излучения в широкополосных резонансных системах, а схема 3в - для синтеза узкополосных систем повышенной эффективности [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].
Максимальное увеличение энергии для одиночного резонатора будет наблюдаться на резонансной частоте :
где kр - проводимость отверстий ,соединяющих трубопровод с резонаторной камерой
fp = 0,50^ V)0,5/ я- ,
(2)
3
объемом Vр (м );
к
р
(3)
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 :
кр = 4Урп2Грс\ (4)
и их количество П = кр(1отв + 0,8^/^0 )/. (5)
1 3 2
ю
I 1С1~1-7«
- г_^
ш
¿1, ж
20
10
К И
7 а V
Али с С/ГШ мка ч /еСл"ы»1 > г
100 200 400^Гц
4
#00?, 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; в - составной глушитель из четвертьволновых резонаторов; г и д — характеристики систем а, б, в при одинаковом суммарном объеме камер резонаторов.
где F - площадь поперечного сечения трубопровода, м ; /, /р - соответственно возбуждающая и собственная частоты резонатора.
Теперь рассмотрим применение акустических полей в режимах работы пылеулавливающих устройств. В качестве первой ступени очистки принимаем для пылеотделе-ния 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
Дрц = £ рг иу2 / = 105-0,9-3,12/2 • 9,81 = 46 мм вод. ст., где иу - условная скорость воздуха в циклоне, равная 3,1 м/сек.
Рассмотрим структуру акустического воздействия на вторую ступень системы улавливания продукта. Акустический пограничный слой у плоской твердой стенки (плоскость х2), 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 д2 и ди ди
--+ и--+ V--V—- =--+ и-
дт дх ду ду дт дх
(6)
здесь производная dp/dx выражена через скорость U(x,y) ядра потока в соответствии с уравнением Эйлера. В рассматриваемом случае
U= vocos(kc) ■cos (ат) = vocos(kx)- Re[exp(-iar))], (7)
где k = 2л/Х = а/с, что соответствует стоячей плоской звуковой волне с угловой частотой а, Re означает вещественную часть комплексного числа, а амплитуда колебаний скорости газа в звуковой волне в целях единообразия параметров уравнения (7) обозначена через vq.
х, м
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 теплоносителя, причем 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 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.
Список литературы
1. Сажин Б.С. Основы техники сушки. М.: Химия,1984. -320 с.
2. Лыков М.В.Распылительные сушилки/ М.В.Лыков, Б.И.Леончик.- М.: Машиностроение, 1966.
3. Гинзбург А.С. Расчет и проектирование сушильных установок пищевой промышленности. М.: Агропромиздат, 1985.
4. Кочетов О.С. Снижение шума и вибраций в производстве: Теория, расчет, технические решения/ О.С.Кочетов, Б.С.Сажин. М., 2001.-319 с.
5. Швыдкий B.C. Теоретические основы очистки газов: Учебник для вузов/ B.C. Швыд-кий, М.Г. Ладыгичев, Д.В. Швыдкий.- М.: Машиностроение-1, 2001.-502с.
