Тепловой баланс сушилок

Рассмотрим тепловые балансы наиболее часто используемых конвективных и контактных сушилок.

Конвективные сушилки. Для составления типового теплового баланса конвективной сушилки воспользуемся ее общей схемой, представленной на рис. 7. На сушку поступает G₁ кг/ч исходного материала, имеющего температуру Q₁ °С. В сушилке из вещества испаряется W кг/ч влаги и удаляется G₂ кг/ч высушенного вещества при температуре Q₂ °С. Обозначим удельную теплоемкость высушенного материала С_м (Дж/кг*град) и теплоемкость влаги — С_В (Дж/кг*град) (для воды С_в = 4,19 (кДж/кг*град) или 1 ккал/кг*град)).

Рис. 7. Принципиальная схема конвективной сушилки непрерывного действия (основной вариант процесса сушки)

В сушилку подается влажный воздух, содержащий L (кг/ч) абсолютно сухого воздуха. Перед калорифером воздух имеет энтальпию i₀ (Дж/кг) сухого воздуха; после нагрева, т. е. на входе в сушилку, энтальпия воздуха увеличивается до i₁ (Дж/кг) сухого воздуха. В процессе сушки в результате передачи тепла материалу, поглощения испаряющейся из вещества (материала) влаги и потерь тепла в окружающую среду энтальпия воздуха изменяется и на выходе из сушилки для отработанного воздуха равна i₂ (Дж/кг) сухого воздуха.

При составлении теплового баланса необходимо учитывать, что в сушилке могут быть транспортные устройства, на последних находится высушиваемый материал, например вагонетки, и т. д.

Допустим, масса указанных устройств — G_T (кг), удельная теплоемкость их — С_T (Дж/кг*град), температура на входе в сушилку — t_TH. В сушилке температура транспортных устройств увеличивается и достигает на выходе из сушилки t_TK.

В соответствии со схемой (рис. 7) тепло Q_k подводится в калорифер K₁, установленный перед сушилкой, и в дополнительный калорифер К₂ — внутрь камеры сушилки в количестве Q_д.

Тогда с учетом потерь тепла сушилкой в окружающую среду Q_n будем иметь:

При установившемся процессе сушки тепловой баланс выражается равенством:

Li₀ + G₂C_MQ₁ + WC_BQ₁ + G_TC_Tt_TH + Q_k + Q_д =.

= L_i2 + G₂C_МQ₂ + G_TCTt_TK + Q_n

Из указанного уравнения можно установить общий расход тепла на сушку:

(Q_k + Q_д) = L (i₂ — i₀) + G₂C_M(Q₂ — Q₁) + G_TC_T(tTK — t_TH) — WC_BQ₁ + Q_n

Разделив обе части последнего равенства на W, получим выражение для удельного расхода тепла (на 1 кг испаренной влаги):

q_k + q_д = l (i₂ — i₀) + q_M + q_T — C_BQ₁ + q_n

Подставляя значение q_k в уравнение, находим:

l (i₁ — i₀) + q_д = l (i₂ — i₀) + q_M + q_T — C_BQ₁ + q_n

или.

l (i₂ — i₁) = q_д + C_BQ₁ — q_M — q_T — q_n

Обозначим правую часть уравнения:

(q_д + C_BQ₁) — (q_M + q_T + q_n) = Д Запишем его в следующем виде:

l (i₂ — i₁) = Д.

i₂=i₁ + (Д / l).

Входящая в уравнение величина Д выражает разность между приходом и расходом тепла непосредственно в камере сушилки без учета тепла, приносимого воздухом, нагретым в основном калорифере. Величина Д нередко называется внутренним балансом сушильной камеры.

Для анализа и расчета процессов сушки удобно ввести понятие о теоретической сушилке, в которой температура материала, поступающего на сушку, равна температуре сушки, т. е. нет расхода тепла на нагрев материала и транспортных устройств, нет дополнительного тепла в самой сушильной камере и потерь тепла в окружающую среду. Следовательно, для теоретической сушилки q_д = C_BQ₁ = q_M = q_T = q_n = 0 и согласно выражению Д = 0.

При этом в соответствии с уравнением теплового баланса при l? 0 для теоретической сушилки i2 = i₁, т. е. процесс сушки в такой сушилке изображается на i-x — диаграмме линией АВ, для которой i = const (см. рис. 3, б). Указанное означает, что испарение влаги в теоретической сушилке происходит только за счет охлаждения воздуха, причем количество тепла, передаваемого воздухом, полностью возвращается в него с влагой, испаряемой из материала.

В действительных сушилках энтальпия воздуха в сушильной камере обычно не остается постоянной. Если приход тепла в камеру сушилки больше его расхода, т. е. величина Д положительна, то энтальпия воздуха при сушке возрастает (i₂>i₁). При отрицательном значении Д энтальпия воздуха при сушке уменьшается и i₂< i₁

Контактные сушилки. Как указывалось, при контактной сушке тепло материалу передается через стенку, разделяющую материал от теплоносителя.

Теплоносителем при контактной сушке чаще бывает насыщенный водяной пар. Поэтому тепловой баланс непрерывнодействующей контактной сушилки (рис. 8) будет отличаться от баланса для конвективной сушилки.

Рис. 8. Принципиальная схема контактной сушилки непрерывного действия

В дополнение к обозначениям, приведенным ранее в балансе для конвективных сушилок, отметим, что расход греющего пара составляет D (кг/ч), его энтальпия — i_r (Дж/кг) и температура конденсации — Т °С.

Для такой сушилки запишем:

Тогда тепловой баланс контактной сушилки:

Di_r + G₂C_MQ₁ + WC_BQ₁ = DC_BT + G₂C_MQ₂ + Wi_B + Q_n

или.

D (i_r — C_BT) = G₂C_M(Q₂ — Q₁) + W (i_B — C_BQ₁) + Q_n

Из уравнения можно определить расход пара D на нагрев высушенного материала, на испарение влаги и компенсацию потерь тепла в окружающую среду/.

Для периодических процессов сушки тепловой баланс составляют отдельно для стадий нагревания и сушки. При этом за расчетный принимают больший из расходов пара, полученных для каждой стадии.