Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 11
1.1. Основные особенности зерна как объекта сушки 11
1.2. Методы сушки зерна и их аппаратурное оформление 13
1.3. Факторы, влияющие на скорость сушки зерновых культур 21
1.4. Поведение тел, свободно размещенных в виброкипящем слое 24
1.5. Применение вибрационного воздействия
для интенсификации процессов тепломассопереноса 26
1.6. Выводы, цель и задачи исследования 32
Глава 2. Теоретическое обоснование параметров и режимов работы виброциркуляционных аппаратов 34
2.1. Модель, описывающая динамику виброциркуляционного слоя 34
2.1.1. Перемещение теплоносителя по винтовому перфорированному лотку 35
2.1.2. Истечение частиц теплоносителя через отверстия лотков 47
2.1.3. Движение теплоносителя с верхнего лотка на дно ванны 52
2.1.4. Движение высушиваемых материалов в слое 58
2.2. Материальный и тепловой балансы процесса сушки 62
Глава 3. Программа и методики экспериментальных исследований 65
3.1. Программа исследований 65
3.2. Описание экспериментальной установки 65
3.3. Методики экспериментальных исследований 72
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 83
4.1. Результаты исследований процессов виброперемещения материалов по винтовым лоткам ванны аппарата 83
4.2. Результаты исследований структуры виброциркуляционного слоя 85
4.3. Результаты исследований теплообмена между виброциркуляционным слоем и погруженной в него поверхностью 91
4.4. Результаты исследований массообмена (сушки) зерновых культур 100
4.5. Исследование закономерностей изменения показателя энергоемкости процесса сушки 108
4.6. Анализ и обобщение результатов исследований 115
Глава 5. Технико - экономическая оценка использования виброциркуляционных аппаратов 122
Общие выводы 128
Литература 130
Приложения 145
- Методы сушки зерна и их аппаратурное оформление
- Истечение частиц теплоносителя через отверстия лотков
- Описание экспериментальной установки
- Результаты исследований структуры виброциркуляционного слоя
Введение к работе
Развитие и повышение эффективности использования оборудования для послеуборочной обработки зерновых материалов относятся к наиболее важным задачам агропромышленного производства.
Один из основных негативных факторов состояния современного сельскохозяйственного производства - высокая энергоемкость конечной продукции, которая в 2...3 раза превышает аналогичные показатели развитых стран [125].
Отсюда завышенные затраты на топливно-энергетические ресурсы, высокая себестоимость продукции растениеводства и животноводства, их низкая конкурентная способность на мировом рынке.
На величину удельных расходов энергоносителей значительное влияние оказывают расходы энергии на тепловые процессы, важнейшим из которых является сушка зернового материала [10, 32, 65, 67, 69, 108,146].
Производство и заготовка зерновых культур, товаропроизводителями различных форм собственности, неразрывно связано с необходимостью постоянного совершенствования техники и технологии сушки. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, природно-климатическими и погодными условиями большинства зернопроизводящих районов России. Даже при сухой погоде во время уборки урожая средняя влажность зерна, в большинстве зернопроизводящих районов, составляет 15 % и более, что не позволяет хранить такое зерно в хозяйствах без предварительной термической обработки. Ежегодно свыше 80 % убранных с полей зерновых культур подвергают сушке [38].
При использовании существующих установок, на сушку зерна приходится от 85 до 97 % общих затрат энергии на его обработку [10, 70, 106, 108]. В целом по стране на сушку расходуется около 12 % используемого топлива.
Во-вторых, благодаря соблюдению современной технологии при сушке зернового материала и ее своевременности, удается не только повысить стойкость зерна при хранении, но и существенно улучшить его продовольственные
5 и семенные достоинства. Она не только обеспечивает сохранность зерна и снижение потерь убранного урожая, но и оказывает положительное влияние на выход и качество продукции при переработке зерна в муку и крупу [38]. Ввиду особой важности технологии сушки в процессе послеуборочной обработки зернового материала развитию сушильной техники во все времена отводили важнейшее место и придавали огромное значение.
Создание высокопроизводительного сушильного оборудования стало возможным благодаря широким научным исследованиям, проводимым в этой сфере. К настоящему времени подробно изучены такие проблемы, как представления о роли влаги в зерне и о свойствах зерна как объекта сушки, разработаны учения о формах связи влаги с зерном и теоретические основы зерносу-шения [133].
Огромный вклад в развитие теории сушки внесли такие отечественные ученые, как А.В. Лыков, Г.К. Филоненко, И.М. Федоров, А.С. Гинзбург, П.Д. Лебедев, а также зарубежные ученые О. Кришер, В. Мальтри, Э. Петке, Б. Шнайдер и многие другие.
Большое значение для совершенства технологии и технических средств сушки имеют многочисленные работы отечественных ученых: А.П. Гержоя, В.Ф. Самочетова, A.M. Уварова, В.А. Резчикова и других (ВНИИЗ), Н.И. Денисова, И.П. Кащеева, Н.В. Кармана и других (ЦНИИПЗП), С.Д. Птицына, В.И. Анискина, Г.С. Окуня, Ф.Т. Гоголева (ВИМ), а также А.Г. Чижикова, М.Е. Сбродова, Ю.Л. Фрегера, Р.Н. Волика, В.А. Сакуна, Г.П. Ерошенко, И.Ф. Бородина, Р.В. Ткачева, Е.М. Зимина, B.C. Крутова, А.А. Кругляка.
Вопросом влияния режимов сушки на качество зерна и параметров этого процесса занимались В.И. Анискин, Б.А. Карпов, Ульрих Н.Н. и другие. Проблему повышения эффективности процесса сушки исследовали Я.С. Киселев, Н.П. Козьмин, В.Л. Кретович, Л.А. Тривятский, В.П. Удилов и другие.
В дореформенные годы основное внимание исследователей и конструкторов зерносушилок было направлено на создание стационарных установок вы-
сокой производительности (от 20 до 100 тонн в час и более). Однако, несмотря на огромные успехи в области технологии сушки зерна и проектирования соответствующего оборудования, потребность сельского хозяйства в установках для сушки зерновых культур удовлетворить полностью так и не удалось [1, 139].
Более того, оборудование для термообработки зерновых культур, применяемое на элеваторах и в хозяйствах, не отвечало достаточно полно основным требованиям, предъявляемым к данным установкам. Оно не обеспечивало требуемой равномерности сушки зерна, имело большие массу и габариты, расход теплоты с уходящими газами достигал значительной величины, что в свою очередь приводило к снижению эффективности сушильного оборудования (низкому тепловому коэффициенту полезного действия).
В настоящее время эволюция сушильного оборудования находится на новом этапе, обусловленном появлением в сельскохозяйственном производстве различных форм собственности. Помимо крупных агропромышленных предприятий появилось множество небольших сельскохозяйственных производственных кооперативов, фермеров и мелких частных перерабатывающих предприятий, занимающихся выращиванием или переработкой зерновых культур, а мощная зерносушильная техника сосредоточена в основном на элеваторах и крупных сельскохозяйственных предприятиях.
При сдаче на хранение зерновых культур на элеватор к нему предъявляются жесткие требования. Если влажность зерновых культур выходит за рамки ограничительной кондиции, то такое зерно либо вообще не принимают на хранение, либо поднимают цены до уровня, недоступного фермерам и мелким сельскохозяйственным предприятиям.
При длительном хранении за год элеватор забирает до 52 % урожая [110], что нереально для указанной категории товаропроизводителей из-за ограниченных объемов последнего. Отсюда традиционная сдача зерна на элеваторы для хранения большинству мелких и средних хозяйств экономически не выгодна ввиду связанных с этим существенных материальных расходов.
В условиях рыночных отношений, таким хозяйствам экономически целесообразно хранить полученное зерно непосредственно в своих хозяйствах и осуществлять торговлю им в наиболее благоприятное с точки зрения ценовой политики время. Например, в США около 75 % сушильной техники непосредственно сосредоточено на фермах.
Фермеры предпочитают сами сушить влажное зерно, получая от этого дополнительный доход за счет снижения транспортных расходов и затрат труда. В настоящее время и в нашей стране начинает просматриваться тенденция обработки всего валового сбора урожая непосредственно в хозяйствах [108].
Поэтому возникла одна из наиболее актуальных задач - обеспечение этих категорий товаропроизводителей малогабаритной, относительно менее производительной, универсальной, высокоэффективной, энерго- и ресурсосберегающей техникой для сушки сельхозпродукции.
Повышение эффективности использования сушильного оборудования непосредственно связано с увеличением интенсивности сушки, как одного из главных факторов сокращения удельных энергетических затрат и улучшения технико-экономических показателей его работы.
Одним из основных требований, предъявляемых к сушилкам зерновых культур, является, во-первых, улучшение технологических свойств высушиваемого материала, во-вторых, снижение энергозатрат на проведение процесса сушки. Перечисленными требованиями в основном определяется себестоимость процесса сушки зерновых культур.
Большинство известных способов интенсификации тепломассопереноса в существующем сушильном оборудовании уже не позволяют значительно повысить эффективность этих установок при условии сохранения его качества [2, 35, 76]. Поэтому поиск путей интенсификации процесса сушки при сохранении качества зерна являются актуальным направлением исследований.
В ходе проведения поиска оптимального варианта сушильной техники установлено, что сушку зернового материала наиболее целесообразно прово-
8 дить в виброциркуляционном аппарате в непрерывном режиме. Циркуляция
мелкозернистых частиц теплоносителя осуществляется за счет колебаний. При этом частицы теплоносителя непрерывно перемещаются снизу вверх по винтовым перфорированным лоткам вертикально установленной ванны аппарата, доходят до верхнего лотка и по специальному устройству ссыпаются на дно ванны, откуда вновь поступают на нижний лоток и процесс повторяется.
Частицы совершают сложное движение, перемещаясь снизу вверх по перфорированным лоткам и, одновременно с этим, из вышерасположенных лотков через перфорацию непрерывно истекают на нижерасположенные лотки в виде установившегося потока. Эти движения частиц взаимосвязаны между собой и при определенных соотношениях скоростей между ними обеспечивают устойчивую во времени и пространстве структуру виброциркуляционного слоя.
Таким образом, в винтовой ванне аппарата циркулируют только частицы теплоносителя, а высушиваемые зерновые культуры непрерывно подаются на нижний лоток, передвигаются снизу вверх по винтовым лоткам при постоянном воздействии на их наружную поверхность частиц теплоносителя и выходят с верхнего лотка в приемный бункер. Применение такого слоя в качестве теплоносителя имеет существенные преимущества перед известными средами. Основные из них - компактность и высокий термический КПД оборудования, перемещение высушиваемых материалов осуществляется непосредственно виброциркуляционным слоем, существенная интенсификация процессов тепло- и массопереноса, небольшие потери тепла в окружающую среду, возможность встраивания виброциркуляционных аппаратов в непрерывные поточные линии. При этом затраты энергии минимальны, что весьма актуально в условиях энергетического кризиса.
Целью работы является повышение эффективности процесса сушки зерновых материалов путем оптимизации режимов работы малогабаритных виброциркуляционных аппаратов.
Для достижения указанной цели в диссертации были поставлены и решены следующие задачи:
исследовать закономерности формирования, расширения и порозности виброциркуляционного слоя теплоносителя в зависимости от конструктивно-режимных параметров аппарата и размерных характеристик слоя;
исследовать закономерности теплоотдачи от движущегося тела с концентрированной энергией к виброциркуляционному слою теплоносителя в зависимости от конструктивно-режимных параметров аппарата и размерных характеристик слоя;
исследовать массообмен между виброциркуляционным слоем и зерновками;
исследовать закономерности изменения энергоемкости процесса сушки зерна в зависимости от конструктивно-режимных параметров виброциркуляционного аппарата;
разработать методику инженерного расчета малогабаритных виброциркуляционных аппаратов для сушки зерна.
Научная новизна.
установлены закономерности изменения порозности и расширения виброциркуляционного слоя теплоносителя в зависимости от конструктивно-режимных параметров аппарата и размерных характеристик слоя;
исследованы закономерности теплоотдачи от движущегося тела с концентрированной энергией к виброциркуляционному слою теплоносителя в зависимости от конструктивно-режимных параметров аппарата и размерных характеристик слоя;
установлена принципиальная возможность и подтверждена эффективность использования виброциркуляционных аппаратов для сушки зерна.
Практическая ценность состоит в разработке способа сушки зерновых культур в виброциркуляционном аппарате, обеспечивающего интенсификацию тепломассопереноса при сохранении качества продукта. Разработана конст-
10 рукция малогабаритного виброциркуляционного аппарата для сушки зерновых
культур и методика его расчета на основе полученных экспериментальных данных.
Реализация результатов работы. Теоретические и экспериментальные исследования могут быть использованы при разработке малогабаритного виброциркуляционного аппарата. Разработанный виброциркуляционный аппарат для термообработки зерновых культур внедрен в производственном кооперативе им. Коминтерна (Мичуринский район Тамбовской области).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ряде международных научно-технических конференциях: «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей» (Санкт-Петербург-Пушкин, 2002 г. и 2003 г.); XI международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в инженерной сфере АПК России - проблемы развития машинных технологий и технических средств производства сельскохозяйственной продукции» (Москва, 2002 г.); III международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (Москва, 2003 г.).
На защиту выносятся: перечисленные выше результаты, имеющие новизну и практическую ценность.
Методы сушки зерна и их аппаратурное оформление
Аппаратурное оформление процессов сушки зернового материала до кондиционной влажности 14 % весьма разнообразно. Известные к настоящему времени зерносушильные установки подразделяют: - по типу передачи тепловой энергии (конвективные, кондуктивные, радиационные); - по состоянию слоя в процессе сушки (неподвижный, подвижный, аэрофонтанный, псевдоожиженный, виброожиженный); - по виду сушильного агента (использующие нагретый воздух или его смесь с топочными газами); - по направлению движения сушильного агента относительно зернового потока (прямоточные, противоточные, с поперечным или смешанным потоком); - по характеру работы (периодического или непрерывного действия); - по мобильности (стационарные или передвижные); - по сложности устройства (простейшие или механизированные и автоматизированные). До последнего времени основным методом сушки (по способу теплопередачи) считается конвективный. К наиболее важным факторам при конвективной сушке зерновых культур относятся параметры сушильного агента (температура и скорость его движения), толщина слоя зерна и его состояние (плотный, разрыхленный, псевдоожиженный, взвешенный). Состояние слоя в первую очередь определяет по-верхность зерна, которая находится в контакте с сушильным агентом и участвует в тепло- и массопереносе. Рассмотрим существующие на сегодняшний день устройства для термообработки зерна, исходя из состояния слоя материала в процессе сушки. Сушку зерна в неподвижном слое осуществляют в вентиляционных, платформенных, лотковых (стеллажных), камерных, конвейерных и жалюзийных установках. Эти сушилки одни из первых нашли применение в сельскохозяйственном производстве. Основным принципом работы этих сушильных установок является укладка высушиваемого материала на решетчатое основание и последующее продувание слоя нагретым воздухом. Сушилки этих типов занимают большую площадь - десятки квадратных метров.
Подробные характеристики вышеперечисленных типов сушильных установок приведены во многих обзорах [25, 59, 60, 86, 140, 144] и поэтому нет особой нужды здесь повторять их. Отметим только наиболее характерные признаки сушилок этого класса.
Они просты по устройству. Однако обладают большой неравномерностью нагрева зерна, невысокой пропускной способностью и производительностью по испаренной влаге на единицу опорной поверхности слоя, значительной занимаемой площадью, низким значением коэффициента полезного использования тепловой энергии, повышенными эксплуатационными расходами и в большинстве случаев невозможностью организовать технологический процесс по принципу потока.
К распространенным в технике зерносушения установкам подвижного слоя относятся шахтные, барабанные и кольцевые зерносушилки. В основном применяются шахтные с коробами. Для сушки ряда материалов используются сушилки шахтного типа без коробов, работающие по принципу прямо- и противотока. В мировой практике наибольшее распространение получили шахтные (стационарные) сушилки (непрерывного действия с воздухораспределительными коробами) на базе плотного слоя [57, 86].
Как показала практика [12, 50, 86, 92, 139], шахтные сушилки неудовлетворительно работают при сушке зерна повышенной влажности: наблюдается резкое снижение производительности (примерно в 1,5...3 раза). При этом зерно нужно пропускать несколько раз через сушилку, что приводит к дальнейшему снижению производительности. Помимо указанного, шахтные зерносушилки имеют и другие недостатки: неравномерность нагрева (и сушки) зерна и сравнительно невысокая скорость влагоотдачи. Это приводит к ухудшению качества зерна [84, 86, 139]. Большие габариты и масса шахтных сушилок приводит к существенным дополнительным затратам энергии и тепловым потерям.
Поскольку определяющим механизмом теплопереноса в шахтных установках является конвективный, интенсивность которого непосредственно связана со скоростью движения сушильного агента, неравномерность профиля скорости по ширине сушильной камеры влечет за собой соответствующую неравномерность поля скорости сушки.
Для повышения коэффициента полезного действия шахтных сушилок, в качестве сушильного агента, наиболее часто используют топочные газы. Однако на практике, даже при отлаженном режиме сгорания топлива, образуются полициклические ароматические углеводороды, обладающие канцерогенным действием, частицы сажи и окислы азота [86]. При этом положительный эффект - уменьшение на 20...30 % потребности в тепловой энергии, становится весьма проблематичным, поскольку продукты сгорания топлива отрицательно влияют на качество зерна и окружающую природную среду.
В барабанных зерносушилках медленно вращающийся, несколько наклоненный барабан своими лопастями захватывает, поднимает и сбрасывает поступающее в него зерно. Падая вниз, зерно пересыпается с полки на полку и, пронизываемое потоком теплоносителя, перемещается вдоль барабана в сторону его наклона. В таких аппаратах прочность зерна и его анатомических частей снижается. Следствием этих факторов является травмирование зерна, что отрицательно влияет на его технологические и посевные свойства, а также на стойкость при хранении. При этом снижается всхожесть зерна [38,49].
Известны зерносушилки с кольцевой камерой [55, 77, 111], в которых материал движется в кольцевом пространстве, образованном двумя перфорированными, концентрично установленными корпусами, а сушильный агент ра-диально продувается через этот кольцевой слой материала. В сушилках с кольцевой камерой, неравномерность сушки также вызвана неравномерностью профиля скорости движения сушильного агента через зерновой материал, которая влечет за собой соответствующую неравномерность поля скорости сушки, а также «пристеночным» эффектом. Установки для сушки зерна в подвижном слое имеют большую производительность, значительные массу и габариты, отличаются высокой энерго- и материалоемкостью, а также стоимостью. Кроме того, присущее им травмирование зерна отрицательно влияет на свойства высушиваемой массы. Наиболее перспективными, являются способы сушки, при которых сушильный агент является также и транспортным средством, перемещающим зерновой материал. Среди них следует выделить сушилки аэрофонтанные, псевдо- и виброожиженного слоя. Аэрофонтанный метод сушки отличается рядом важных преимуществ, среди которых - последовательное сочетание противоточного и прямоточного движения материала и газа, двукратное использование высоты аппарата, наличие значительных зон неустановившегося движения продукта, а при смене направления движения частиц - зон, в которых скорость движения частиц продукта близка к нулю.
Истечение частиц теплоносителя через отверстия лотков
Заключительной стадией формирования устойчивого во времени и пространстве виброциркуляционного слоя в винтовом вертикальном аппарате, является движение теплоносителя с верхнего лотка по специальному устройству на дно ванны. Частицы теплоносителя, формирующие величину массового расхода GBbKn, перемещаются по окружности выходного лотка и доходят до участка с большим количеством отверстий - сектора с "провальной" перфорацией.
Диаметр отверстий dnp "провальной" перфорации находится в пределах dn dnp dд, а шаг отверстий намного меньше шага рабочей перфорации для dл, т.е. число отверстий dnp на единице площади "провальной" перфорации гораздо больше, чем число отверстий диаметра dл на той же площади лотка. За счет создания "провальной" для частиц перфорации на небольшом выходном секторе верхнего лотка, все частицы теплоносителя полностью ссыпаются в этой зоне на П-образный направляющий лоток (рис. 2.5), который не имеет отверстий на своей поверхности.
Благодаря вибрационному воздействию, отдельные частицы теплоносителя, двигавшиеся на поверхности высушиваемых материалов, слетают с них и также в этом секторе попадают на направляющий лоток. Высушенное зерно, освободившись от всех частиц теплоносителя, подается за счет вибрационного воздействия по выходному лотку в приемный бункер.
Физический механизм движения частиц в секторе с "провальной" перфорацией аналогичен ранее рассмотренному процессу истечения (см. подраздел 2.1.2). После падения на направляющий лоток на расстоянии от стенки ванны аппарата, примерно равном ширине перфорированного лотка, частицами формируется непрерывный поток, имеющий в поперечном сечении прямоугольный профиль. При своем движении, поток частиц разрыхляется, его порозность увеличивается. Сечение потока зависит от свойств частиц материала и параметров вибрации. Средняя толщина слоя частиц в потоке равна hy. Этот поток частиц перемещается по направляющему лотку до его края, где происходит отрыв потока. Направляющий лоток, наклоненный к горизонту под углом 0, также как и перфорированные лотки совершает гармонические колебания с амплитудой Ал и частотой юл по закону р(т) = Ал8іпюлт в направлении, образующим угол J3 с его плоскостью. Воспользуемся (как и в подразделе 2.1.1) "одночастичным" подходом. В системе координат, связанной с поверхностью направляющего лотка, на частицу массой m в нашем случае действуют силы тяжести Fm, трения о по 54 верхность лотка F , нормальной реакции поверхности лотка на частицу FH, инерции Fu, сопротивления Fc. Для рассматриваемой системы сил и ускорений дифференциальные уравнения неравномерного движения частицы относительно вибрирующего направляющего лотка в проекциях на оси ОХ ,связанную с поверхностью направляющего лотка и направленную по ходу движения потока частиц, и OY имеют вид (условные обозначения аналогичны приведенным в подразделе 1) Таким образом, по формулам (2.59) и (2.62) можно рассчитать скорость и перемещение потока частиц для его безотрывного движения по плоскости направляющего лотка. После отрыва от направляющего лотка движение частиц можно рассматривать как движение тела в гравитационном поле с некоторой начальной скоростью. Траектория падения частиц теплоносителя имеет параболический вид и зависит от скорости движения частиц в момент их отрыва от границы плоскости направляющего лотка. Анализ экспериментальных данных показывает, что в процессе падения частицы теплоносителя практически не взаимодействуют друг с другом. При этом ширина веера ссыпающихся частиц, по мере их удаления от края направляющего лотка, увеличивается. Траекторию движения отдельно взятой из потока j-той частицы в этой зоне относительно координатных осей YiOXi можно выразить в виде х = - hjSin0 - W4jT4Cos0, Сначала рассмотрим режимы движения одиночных высушиваемых материалов в виброциркуляционном слое. Для этого в первом приближении объединим все силы (кроме силы тяжести Fm) в одну FE. Тогда для нестационарного процесса движения одиночного тела в нашей среде возможны следующие ситуации: - если FE Fm, то будет преобладать движение тела вверх (его всплытие); - если FE Fm, то будет преобладать движение тела вниз (его погружение). Промежуточное значение, при котором FE = Fm, при достаточно длительном процессе (т Т) характеризует среднее во времени равновесное состояние системы. При этом тело в зависимости от соотношения физико-механических свойств и геометрических характеристик системы "тело-слой", динамических воздействий потоков воздуха и частиц теплоносителя, особенностей как истечения частиц теплоносителя из перфорированных лотков, так и их падения на свободную поверхность слоя может занимать устойчивое во времени положение практически на любой высоте от поверхности лотка (0 Z hT).
Следует отметить, что в отличие от погружения тела в капельную жидкость, при котором характер плавания тела зависит, в основном, от соотношения плотностей Рт/рж, в виброциркуляционном слое возможны существенные отклонения от этого условия. Так, необходимым и достаточным условием свободного плавания тела на поверхности капельной жидкости является выполнение соотношения Рт/рж 1.
Экспериментально установлено, что при движении в виброциркуляционном слое тела с рт/рсл 1 всплывали, а тела с рт/рш 1 располагались на определенной глубине слоя. По-видимому, здесь различные режимы движения тел в слое обусловлены, в частности, как свойствами и размерами самих тел, так и параметрами вибрации перфорированных лотков.
Известно, что давление плавающего тела на лежащие под ним слои теплоносителя характеризуется отношением силы Рд, с которой тело действует на виброциркуляционный слой, к максимальному поперечному сечению тела. Поэтому как уменьшение плотности тела рт (при da= idem), так и увеличение его диаметра dA (при Fm= idem), обуславливающие снижение силы давления Рд (по-скольку Fm dfl ), при небольших параметрах вибрации неизбежно приводят к режимам непрерывного всплытия тела в слое.
Обычно в виброкипящих слоях такое поведение тел объясняется наличием неустановившихся потоков газа и частиц и волновой природой распространения импульса по высоте слоя [22, 62, 120, 121]. При дальнейшем росте параметров вибрации поведение тела обусловлено соотношением как его геометрических и физических свойств, так и пульсационных характеристик слоя.
Так в [22] показано, что в результате взаимодействия прямых и отраженных от верхней границы волн порозности в виброслое при определенных условиях могут возникать стоячие волны. При этом внутри слоя образуются, по крайней мере, один узел и две пучности.
В том случае, если стоячей волны не возникает, проведенный в [22] анализ суперпозиции прямых и отраженных волн показал, что по высоте слоя также можно выделить одну или несколько точек с нулевой амплитудой пульсации порозности - псевдоузел, который в отличие от узла стоячей волны, не занимает строго определенного положения, а колеблется (дрейфует) в ядре слоя. Наличие такого узла, т.е. области с порозностью, соответствующей неподвижной или даже уплотненной засыпке и является препятствием самопроизвольному погружению более плотных или всплытию при вынужденном погружении менее плотных по отношению к средней плотности слоя тел.
Описание экспериментальной установки
Неподвижная крышка имеет три отверстия. Первое отверстие необходимо для установки вертикального воздуховода 16, предназначенного для отсоса влажного воздуха. Через второе отверстие вертикально устанавливается термопара 18. В третьем отверстии смонтирован регулировочный шибер 17, предназначенный для осуществления двух режимов работы аппарата: периодического и непрерывного.
При периодическом режиме работы заслонка шибера перекрывает выход материала из аппарата. При этом материал сначала падает на дно ванны через специальное окно в реборде спирального лотка, а затем поднимается снизу вверх по спиральным лоткам, доходит до закрытой заслонки шибера и опять падает на дно ванны и так цикл повторяется до тех пор, пока не закончится соответствующий технологический процесс.
При непрерывном режиме заслонка шибера открывает проход для свободного выхода материала из аппарата и закрывает специальное окно в реборде спирального лотка ванны, предназначенное для циркуляции материала.
Нагреватели 13 монтируются на опорной плите, которая крепится латунными болтами к нижнему корпусу. Каждый из шести нагревателей представляет собой отдельную секцию, состоящую из четырех стоек, на которые надеты кордиеритовые шайбы и втулки. Непосредственно нагреватели выполнены из нихромовой проволоки и по спирали намотаны на стойки. Выводы электронагревателей крепятся на опорной плите секции.
Температура греющей спирали регулируется путем изменения подаваемого на нее напряжения с помощью тиристорного регулятора напряжения или выключением нагревателя с помощью потенциометра КСП-ЗП, установленного в шкафу управления. Нагреватели расположены по окружности вокруг наружной поверхности ванны и параллельно ей. Расстояние между наружной поверхностью ванны и нагревателями при необходимости можно изменять.
Через воздуховод 16 осуществляется отсос влажного воздуха непосредственно из ванны аппарата. Он подсоединен к вытяжному вентилятору В-Ц4-70-2,5-0,1 А. Регулировка отсасываемого воздуха осуществляется с помощью шибера, установленного на воздуховоде.
Выходной лоток 10 служит для выгрузки высушенного материала из аппарата в приемную емкость. Входной лоток 9, представляющий собой ромбовидную призму, осуществляет дозированную подачу высушиваемых материалов в ванну аппарата. Нижний патрубок входного лотка установлен в приемной воронке ванны таким образом, чтобы расстояние от нижнего торца патрубка до днища приемной воронки ванны не превышало 10 мм.
Регулировка расхода материала, подаваемого в ванну на сушку, осуществляется с помощью шибера 19, установленного вблизи верхнего патрубка входного лотка. Загрузочный бункер 14 представляет собой прямоугольную призму, к основаниям которой приварены расширяющиеся к верху усеченные конусы, а в нижней части бункера установлена сетка 15 для задержки инородных включений.
Шкаф контроля и управления 2 служит для размещения аппаратуры управления и регулирования, и вместе с регулятором напряжения, позволяет осуществлять ручное или автоматическое регулирование процесса и поддерживать температуру материала в соответствии с требуемой по регламенту технологического процесса. Температура виброциркуляционного слоя в пяти точках по высоте ванны контролировалась термопарами группы ХК (диаметром 0,5 мм). Температуры на этих витках фиксировались соответственно с помощью автоматического показывающего самопишущего потенциометра типа КСП 4. Структурная схема регулирования температуры в аппарате приведена на рис. 3.4.
Температура контролирующего витка регулировалась с помощью автоматического показывающего самопишущего регулирующего потенциометра типа КСП 3-ІХ Сигнал от электрического преобразователя ТХК-5 поступал через потенциометр КСП 3-П в блок регулирования температуры типа БРТ-5-1 И1 и с него подавался на тиристорный трехфазный регулятор напряжения РНТТ-330-100-УХЛ4.
В зависимости от принимаемого сигнала этот регулятор подавал требуемое напряжение на шесть электрических нагревателей. При этом можно было осуществлять как пропорциональное, так и интегральное регулирование. Мощность, потребляемая электрическими нагревателями, фиксировалась с помощью ваттметра Н 348 (класс точности 1,5) и записывалась на диаграмму. Показания прибора контролировались счетчиком активной энергии СА4У-И672М.
Установка работает следующим образом. Материал поступает в загрузочный бункер 14. Шибер 19 входного лотка 9 закрыт. В приемную воронку 11 засыпается дозированное количество инертного теплоносителя, который будет циркулировать в аппарате весь процесс сушки. Включается шкаф управления и устанавливается по вольтметру величина выходного напряжения, подаваемого на вибропривод, равная 380 В, затем включается вибропривод.
Устанавливается на пульте управления режим колебаний вибропривода, характерный для данного технологического процесса. При наступлении периода стабильной виброциркуляции частиц инертного теплоносителя, включается система нагрева. На регулируемом потенциометре устанавливается температура, требуемая для заданного режима технологического процесса. Дальнейшее протекание процесса осуществляется в автоматическом режиме. Одновременно с включением системы нагрева, включается вентилятор системы отсоса воздуха. При достижении заданной температуры внутри аппарата, открывается шибер 17 на входном лотке 9 и высушиваемый материал, засыпанный в загрузочный бункер 14, подается в приемную воронку 11 и оттуда начинает свое движение по спиральному лотку ванны 6. Высушенный материал, из выходного патрубка 12, ссыпается в выходной лоток 10 и далее подается на транспортирующие механизмы.
Результаты исследований структуры виброциркуляционного слоя
Полученную зависимость (рис. 4. 8) можно объяснить следующим обстоятельством. При переходе к слоям более крупных частиц меняется механизм виброциркуляции и образования газовой прослойки под плоским телом. С увеличением эквивалентного диаметра частиц растет газопроницаемость слоя. При этом роль в виброциркуляции аэродинамических сил, связанных с пульсациями давления и неустановившейся фильтрацией воздуха, заметно снижается. Возрастает степень влияния сил инерции.
Это приводит к возникновению ударно-инерционного взаимодействия между горизонтальной поверхностью движущегося тела и близлежащими частицами вибрирующего теплоносителя, а также к появлению вблизи этой поверхности возрастающей (с ростом dr) газовой прослойки. В конечном итоге все вышесказанное обуславливает снижение интенсивности теплоотдачи с увеличением диаметра частиц теплоносителя. Следует отметить, что влияние на теплообмен параметров, определяющих возникновение и существование виброциркуляционного слоя, геометрические и физические характеристики слоя и тела, а также физические свойства гетерогенной среды определяется не столько спецификой поведения свободно движущегося тела, сколько свойствами самого виброциркуляционного слоя. Интенсивность внешнего теплообмена виброциркуляционного слоя, прежде всего, определяется аэродинамическими условиями вблизи поверхности нагрева (охлаждения). В нижней части тела коэффициент теплоотдачи зависит от интенсивности динамического воздействия пульсирующих потоков частиц и воздуха. Оно, в свою очередь, определяется силой тяжести тела. При этом, чем тяжелее будет тело, тем сильнее ответная реакция низ лежащих слоев вибрирующего теплоносителя, стремящаяся уравновесить силу тяжести. Следовательно, на коэффициент теплоотдачи оказывают влияние факторы, определяющие вес тела (его плотность и геометрические размеры). В верхней части тела коэффициент теплоотдачи зависит от интенсивности динамического воздействия частиц инертного теплоносителя, просыпающихся с вышерасположенного лотка. Падающие частицы теплоносителя, во-первых, интенсифицируют процесс теплоотдачи, играя роль стоков (источников) теплоты. Во-вторых, ударяясь о наружную поверхность тела, частицы тем самым увеличивают силу тяжести тела. Таким образом, на коэффициент теплоотдачи в этом случае оказывают влияние факторы, определяющие площадь поверхности тела, подверженную воздействию падающих частиц, т.е. его геометрические размеры. Для диска, например, увеличение силы тяжести за счет плотности приводит к интенсификации теплоотдачи в 1,28 раз. С увеличением диаметра диска в 5 раз величина коэффициента теплоотдачи ад возрастает в 2,2 раза. Для цилиндра увеличение его длины в 4 раза приводит к росту ад в 1,4 раза. Поскольку одной из причин существования виброциркуляционного слоя является пересыпание частиц теплоносителя с вышерасположенного витка на нижерасположенный виток, то на величину коэффициента теплоотдачи оказывает влияние фактор, определяющий такое движение дисперсного материала. Поэтому с увеличением диаметра ёл в 3,5 раза значение хд возрастает в 1,9 раза. Однако этим фактором можно воспользоваться только до определенных пределов, поскольку с ростом с1л возможны нарушения виброперемещения частиц по лоткам винтовой ванны аппарата. На интенсивность теплоотдачи существенное влияние оказывает аэродинамическая обстановка не только в его лобовой или кормовой зоне, а вокруг всего тела. Известно [93], что интенсивность движения частиц и воздуха в виброслое, определяемая пульсациями давления и порозности, изменяется по высоте слоя. При этом для невысоких слоев (менее 100 мм) нижняя (более плотная) и верхняя (более разрыхленная) части слоя представляют собой соответственно зоны пониженных и повышенных величин ал. По-видимому, в этом плане аналогичная картина будет наблюдаться и в виброциркуляционном слое, поскольку первопричинные возникновения движения частиц в этих системах практически одинаковы. Действительно увеличение глубины погружения тела в виброциркуляционный слой неизбежно приводило к снижению коэффициента теплоотдачи. Так, например, при увеличении высоты слоя в 4 раза (что в свою очередь приводило к росту погружения тела) величина ад для пластины уменьшалась в 3 раза. Это также обусловлено отсутствием воздействия падающих с вышерасположенного лотка частиц теплоносителя на поверхность тела. Большое значение для создания компактных малогабаритных аппаратов имеет оценка влияния изменения ширины лотка на величину ад. Экспериментально установлено, что с уменьшением ширины лотков Ьл в 2 раза величина ад увеличивалась в 1,47 раз. Однако величину Ьл можно снижать до тех пор, пока не начнет действовать пристеночный эффект, в результате которого происходит резкое уменьшение интенсивности теплоотдачи. Обработка и обобщение полученного экспериментального материала имели целью нахождение конкретного вида критериальной зависимости 4.11, описывающей теплоотдачу от свободно движущегося в виброциркуляционном слое тела. Опытные данные обобщались в виде степенной функции на ПК.
