Исследование гидродинамики роторной сушилки с быстровращающимся ротором

Применение роторной сушилки с быстровращающимся ротором для сушки тонкодисперсных материалов является перспективным по сравнению с другими типами сушилок. Это связано с тем, что при применении конвективных сушилок вследствие неэффективности пылеулавливающей аппаратуры происходит унос частиц части материала, что приводит к его потери и загрязнению окружающей среды [1].

Одним из методов интенсификации тепло- и массообмена в контактных аппаратах является увеличение скорости движения сушимого материала относительно греющей поверхности, которое может быть реализовано в контактной роторной сушилке с быстровращающимся ротором, что позволяет увеличить эффективный коэффициент теплоотдачи в 2-4 раза [2]. Вопросы тепло- и массообмена  для периодических сушилок данного типа хорошо изучены многими исследователями [3].

При переходе на непрерывный режим работы аппарата появляются некоторые новые вопросы гидродинамики материала, такие как:

• -    вопросы устойчивости образующегося слоя дисперсного материала, при непрерывном режиме работы аппарата,

• -    продольное перемешивание дисперсного материала,

• -    время пребывания материала в аппарате или удерживающая способность аппарата,

• -    вопросы организации загрузки и выгрузки материала.

С целью выяснения устойчивого режима работы и определения параметров гидродинамической модели движения дисперсного материала были проведены соответствующие экспериментальные исследования.

Для определения экспериментальным путем среднего времени пребывания дисперсного материала в аппарате и коэффициента продольного перемешивания был применен метод внесения возмущения в непрерывный поток материала в определенном сечении потока (на входе в барабан) и фиксирования вызванных этим возмущением последствий (отклика системы) в другом сечении (на выходе из аппарата). При этом возмущающий сигнал носил импульсный характер. По функциям отклика на сигнал (С - кривым) определены гидродинамические параметры системы. Опыты проводились на диоксиде кремния со средним размером частиц 40 мкм. В качестве трассера использовалась кремневая кислота SiO2 H2O того же дисперсного состава, что и диоксид кремния.

Кривые отклика (С - кривые) системы на импульсный ввод трассера определялась следующим образом: в определенный момент времени вместо непрерывно подаваемого в аппарат потока диоксида кремния импульсно подавалось фиксированное количество трассера. Продолжительность импульса подачи трассирующего материала не превышала двух секунд. На выходе из аппарата через определенные промежутки времени отбирались пробы дисперсного материала и    весовым методом, путем термического обезвоживания отобранных проб при t = 3000С определялась кривая отклика аппарата- это концентрации Н2О в материале.

При проведении опытов изменялись следующие параметры: расход материала в пределах (1,2-4) 10-3 кг/с, угловая скорость вращения ротора 20-100 рад/с, высота выгрузного порога 0 - 35 мм.

Полученные экспериментальные кривые отклика по характеру совпадают с аналитической зависимостью, являющейся решением квазидиффузионной модели перемешивания материала [4].

Использование трассера для определения коэффициента продольного перемешивания    в    рамках    двухпараметрической    одномерной квазидиффузионной модели основана на уравнении дс     д c      д2 c

— + W— = DT— дт     дx      дx2

Где с- концентрация трассера, кг/кг;

W = L / т — средняя скорость движения материала в слое, м/с;

• х - текущая координата, направленная вдоль оси барабана, м;

D T - коэффициент продольного квазидиффузионного перемешивания материала, м²/с.

В качестве граничных условий - к уравнению (1) используются традиционные условия Данквертса:

WC 0 = wC x = 0 — D t - l x - > ; (2)

ИI т= 0 = ^0; (3)

т д c ax lx=l=0 (4)

При обработке экспериментальных кривых распределения материала по времени его пребывания в соответствии с решением диффузионного уравнения

• (1)    число Пекле определялось таким образом, чтобы среднеквадратическое расхождение опытных и теоретических кривых было минимальным.

При обработке экспериментальных данных в опытах с меченым материалом среднее время пребывания определялось по уравнению nn

т = ^TiCi / XCi (5)

i = 1              i = 1

Результаты обработки экспериментальных данных показали, что для исследованного аппарата при угловой скорости ротора менее 30 рад/сек продольное перемешивание незначительно. При этом режим движения материала в аппарате является устойчивым. Физически это соответствует картине, когда материал залегает на дне аппарата и только ворошится лопатками медленно вращающегося ротора. При увеличении угловой скорости выше 30 рад/с происходит увлечение коэффициента продольного перемешивания. При этом слой материала под действием центробежной силы распределяется по всей внутренней поверхности барабана.

При наличии порога на выгрузке материала дальнейшее увеличение угловой скорости ведет к возрастанию коэффициента продольного перемешивания, так как увеличивается импульс силы, передаваемой лопаткой элементу слоя. Это увлечение происходит несколько в меньшей степени, чем линейно, поскольку действует фактор уплотнения слоя, препятствующий перемешиванию. Одновременно возрастает величина среднего времени пребывания, так как уплотнение слоя приводит к увеличению массы материала в аппарате.

При уменьшении уровня порога на выгрузке до 0 характер зависимости т принципиально изменяется. Время пребывания материала в слое в 2-3 раза меньше, чем при наличии порога и это естественно, связано с более свободной выгрузкой материала. Это приводит к уменьшению плотности слоя частиц, сформированного в зазоре. При этом импульс, передаваемый лопатками элементу слоя, приводит к слабому рассеянию частиц в продольном направлении, что и отражает эксперимент. Дальнейшее увеличение высоты порога более 30 мм приводит к нарушению устойчивости выгрузки материала из аппарата, видимо, вследствие больших центробежных сил и увеличения массы слоя.

Данные экспериментов дают возможность утверждать, что при наличии на выгрузке из аппарата порога большего, чем размер зазора между лопатками ротора и стенкой барабана, в аппарате формируется устойчивый движущийся слой материала. Скорость продольного перемешивания в таком слое зависит, в основном, от числа оборотов ротора, незначительно увеличивается с увеличением производительности аппарата V и практически не зависит от массы слоя. при этом слой может рассматриваться как сжимаемая среда с практически постоянными гидромеханическими свойствами. При определенной высоте порога происходит резкое уменьшение скорости перемешивания и нарушение устойчивости движения материала в аппарате.

Экспериментально установлено, что устойчивая работа аппарата в непрерывном режиме движения материала имеет место, если К3 < 1, при этом механизм движения слоя тонкодисперсного материала является квазидиффузионным. Измерения показали, что распределение концентрации материала в продольном направлении является практически равномерным и изменяется не более чем на 10% на метр длины аппарата. При К3 »1 происходит уплотнение слоя и структурообразование материала в объеме зазора, что приводит к значительному снижению интенсивности квазидиффузионного перемешивания материала и к нарушается устойчивость работы аппарата.

Экспериментальные данные обрабатывались методом наименьших квадратов, что привело к следующим корреляционным зависимостям:

D_T = 2,2 - 10 - ³

С h У⁸⁴ (

IR )

\

0,86 со

—

о)

( V )Г, м ²/ с

0,36 т = 30 h I R )

а

I akp;

0,43

( V У¹’ c (8)

Зависимости (7) и (8) получены в следующих интервалах изменения параметров:

а - 40 - 100 рад/с;

V = (1,2 - 4,0) 10^-3 кг/с;

h = 0-15 мм.

Проведенные эксперименты показали    возможность организации непрерывного режима работы аппарата. Полученные уравнения [7] и [8] позволяют определить гидродинамические параметры указанного режима, что необходимо при расчёте процесса сушки в данном аппарате.

Литературы:

• 1.    Фролов В.Ф., Круковский О.Н., Ахунбаев А. А. Сушка высоковлажных тонкодисперсных материалов // Минский международный форум «Тепломассообмен в химико-технологических устройствах» Тез. докл. – Минск, 1992. – С. 83.

• 2.    Schliinder E.V. Fortschritte in den wissenschaftlichen Grundlagen zur Auslegung von Kontacttroknern fiir grob – und feinriselfahiges Trocknungsgut // Chem. Ing. Tech. – 2003. – T. 75. №. r 12. – s. 940 – 949.

• 3.    Сомов А.М. Термобработка дисперсных материалов в барабанноцентробежной сушилке: Дис…. Канд. Техн. Наук / ЛТИ им. Ленсовета. – Л., 1980, - 190 с.

• 4.    Кафаров В.В., Перов В.Л., Мешалкин В.П. Принципы математического моделирования химико-технологических систем. – М.: Химия, 1974. – 344 с.

"Экономика и социум" №12(79) 2020