При розрахунку конвективних сушарок крім балансу по матеріалу, що висушується, складають матеріальний баланс по волозі, з якого знаходять витрати сухого повітря на сушіння.
Розглянемо основну схему процесів конвективного сушіння на прикладі повітряної сушарки, у якій повітря нагрівається тільки в підігрівнику (калорифері) перед сушаркою й однократно проходить через сушарку (Рисунок 3.5.).
Отже, нехай на сушіння надходить повітря з вологовмістом Х0 кг/кг сухого повітря, причому витрата абсолютно сухого повітря складає L кг/г.
Із сушарки (при відсутності втрат повітря) виходить така ж кількість абсолютна сухого повітря, а вологовміст міняється до Х2 кг/кг сухого повітря. Кількість вологи, що випаровується з матеріалу в сушарці, складає W кг/г.
Рисунок 3.5. Принципова схема конвективної сушарки безперервної дії
Матеріальний баланс по волозі:
(108)
Визначимо витрата абсолютно сухого повітря на сушіння:
(109)
|
|
Питома витрата повітря на випар з матеріалу 1 кг вологи дорівнює:
(110)
Тепловий баланс сушарок
Розглянемо теплові баланси найбільш розповсюджених конвективних і контактних сушарок.
Конвективні сушарки
На сушіння надходить G1 кг/год вихідного матеріалу, що має температуру q1°С. У сушарці з матеріалу випаровується W кг/год вологи, а із сушарки віддаляється G2 кг/год висушені матеріали при температурі q2°С.
Позначимо питому теплоємність висушеного матеріалу См Дж/(кг×град) і теплоємність вологи св Дж/(кг×град). [ для води св = 4,19 Дж/(кг×град) ].
У сушарку подається вологе повітря (сушильний агент), що містить L кг/год абсолютно сухого повітря. Перед калорифером повітря має ентальпію I0 Дж/кг сухого повітря, після нагрівання, тобто на вході в сушарку, ентальпія повітря підвищується до I1 Дж/кг сухого повітря. У процесі сушіння в результаті передачі тепла матеріалу, поглинання вологи, що випаровується з матеріалу, і втрати тепла в навколишнє середовище ентальпія повітря змінюється і на виході із сушарки ентальпія відпрацьованого повітря дорівнює I2 Дж/кг сухого повітря.
Варто враховувати, що в сушарці можуть бути транспортні пристрої, на яких знаходиться матеріал, що висушується (наприклад, вагонетки і т.і.). Нехай маса цих пристроїв Gт кг, питома теплоємність їхнього матеріалу ст Дж/(кг×град), температура на вході в сушарку tтн. У сушарці температура транспортних пристроїв зростає і досягає tтк на виході із сушарки.
Далі К1 - калорифер, установлений перед сушаркою;
К2 - калорифер усередині камери сушарки.
З урахуванням утрат тепла сушаркою в навколишнє середовище, маємо:
|
|
Прихід тепла
- з зовнішнім повітрям | |
- з вологим матеріалом * - кількість вологого матеріалу G1 у тепловому балансі розглядається як сума кількостей висушеного матеріалу G2 і випаруваної вологи W) | |
- з висушеним матеріалом | |
- з вологою, що випаровується з матеріалу | |
- з транспортними пристроями | |
- в основному калорифері (зовнішньому) | |
- у додатковому калорифері (внутрішньому) |
Витрата тепла
- з відпрацьованим повітрям | |
- з висушеним матеріалом | |
- з транспортними пристроями | |
- витрати тепла в навколишнє середовище |
Для сталого процесу сушіння тепловий баланс має вид:
(111)
З цього рівняння можна визначити загальну витрату тепла (Qк + Qд) на сушіння:
(112)
Розділивши обидві частини на W, одержимо вираз для питомої витрати тепла (тобто на 1 кг випаруваної вологи):
. (113)
Питома витрата тепла в основному (зовнішньому) калорифері можна представити у виді:
. (114)
Підставивши це вираження в останнє рівняння, одержимо:
. (115)
чи
. (116)
позначимо .
Тоді:
(117)
чи
. (118)
Вхідна в рівняння величина D, виражає різницю між приходом і витратою тепла безпосередньо в камері сушарки, без обліку тепла, принесеного повітрям, нагрітим у калорифері.
Величину D називають внутрішнім балансом сушильної камери.
Підставляючи в рівняння для D, значення L, одержимо:
(119)
Для аналізу і розрахунку процесів сушіння зручно ввести поняття про теоретичну сушарку, у якій температура матеріалу, що надходить на сушіння, дорівнює нулю, немає витрати тепла на нагрівання матеріалу і транспортних пристроїв, немає додаткового підведення тепла в самій сушильній камері і втрат тепла в навколишнє середовище.
Отже, для теоретичної сушарки:
(120)
і
D = 0. (121)
При цьому відповідно до рівняння теплового балансу при L¹0 для теоретичної сушарки:
(122)
Процес сушіння в такій сушарці зображується на I-х діаграмі лінією I = const.
Це означає, що випар вологи в теоретичній сушарці відбувається тільки за рахунок охолодження повітря, причому кількість тепла, переданого повітрям, цілком повертається в нього з вологою, що випаровується з матеріалу.
У дійсних сушарках ентальпія повітря в сушильній камері звичайно не залишається постійної. Якщо прихід тепла в камері сушарки (qд + св×q1) більше його витрати (qм + qт + qп), тобто величина D позитивна, то ентальпія повітря при сушінні зростає (I2 > I1). При негативному значенні D ентальпія повітря в процесі сушіння зменшується і I2 < I1.
Визначення витрат повітря і тепла на сушіння.
До числа основних задач технологічного розрахунку конвективних сушарок відноситься визначення витрат повітря (газу) і тепла на сушіння.
Ці величини можуть бути знайдені як чисто аналітичними, так і графоаналітичним шляхом.