Лебедев - Расчет и проектирование сушильных установок

РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СУШИЛЬНЫХ УСТАНОВОК

Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальности "Промышленная теплоэнергетика"

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО

МОСКВА 1963 ЛЕНИНГРАД

Книга посвящена тепловым расчетам и вопросам рационального проектирования сушильных установок, применяющихся в различных отраслях  промышленности.

Рассматриваются многообразные способы подвода тепла к сушимым материалам: конвективный,  контактный, радиационный, высокочастотный и различные комбинированные способы; а также новые способы сушки материалов: в жидких средах, в кипящем слое, в вихревом потоке, в глубоком вакууме (в  замороженном состоянии или методом сублимации), под  давлением и со сбросом давления и т. п.

Дается оценка различным способам сушки,  устанавливается оптимальная область их применения,  приводятся схемы, конструкции и расчеты сушилок. Дается описание вспомогательного оборудования, контрольно-измерительных приборов, элементов механизации и  автоматизации, а также приводятся основы  технико-экономических расчетов сушильных установок.

Книга предназначена для студентов специальности «Промышленная теплоэнергетика» энергетических и  политехнических институтов, однако может быть  использована инженерно-техническими работниками проектных организаций и промышленных предприятий.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящая книга  предназначается в качестве учебника по специальному курсу «Расчет и  проектирование сушильных установок» и составлена по программе для  специальности «Промышленная  теплоэнергетика» специализации  «Сушильные установки» Московского энергетического института, где для студентов этой специализации  читаются также курсы «Теория  сушки» и «Технология сушки».

Она является учебным пособием для всех студентов высших  учебных заведений по специальности «Промышленная теплоэнергетика» специализации «Таплообменные и сушильные установки», так как в ней .содержатся в необходимом объеме лекционных часов этой  специализации .вопросы теории и  технологии сушки.

Книга является основным  пособием по курсовому и дипломному проектированию сушильных  установок. В ней наряду с основными вопросами теории сушки большое внимание уделяется изложению основ расчета и проектирования многообразных типов сушилок при различных способах подвода тепла.

В соответствии с этим в книге  рассматриваются различные  конструкции сушилок, вспомогательное  оборудование,  контрольно-измерительные приборы и автоматика  сушильных установок.

Изучение курса «Расчет и  проектирование сушильных установок» базируется на предшествующих курсах: «Промышленная  теплотехника», в котором даются общие  понятия о сушке и сушильных  установках, а также «Термодинамика», «Теплопередача», «Контрольно-измерительные приборы»,  «Автоматизация тепловых процессов»,  «Котельные установки».

Автор выражает большую  благодарность рецензентам профессорам Н. М. Михайлову и А. С.  Гинзбургу, а также профессорам А. В. Нетушилу и Н. Ф. Чистякову за сделанные ими существенные  замечания и указания по рукописи,  доцентам М. В. Лыкову и Б. И. Леончику за большой труд по научному  редактированию и подготовке книги к выпуску ее в свет.

При работе над книгой автор стремился к простоте и доступности изложения, сохраняя при этом  строго научную форму. Однако в  настоящее время еще нет достаточно надежных инженерных методов  расчета для многих сушильных  процессов.

Приведенные в настоящей  книге методики расчета нуждаются в дальнейшем совершенствовании. Быстрое развитие науки и  техники может повлиять на некоторые научные концепции или допущения, принятые в различных методиках, предлагаемых автором для расчета отдельных сушильных установок.

Автор будет благодарен за указания и советы, направленные на улучшение методической и  технической сторон этой работы.

Автор

ВВЕДЕНИЕ

В нашей стране с ее богатейшими сырьевыми ресурсами, развитыми промышленностью и сельским  хозяйством сушильная техника  приобрела большое  народнохозяйственное значение.

С постройкой мощных электростанций, многочисленных заводов и комбинатов машиностроительной, химической, лесообрабатывающей, керамической, пищевой и других отраслей промышленности, с  развитием новых производств авто-,  самолето- и радиостроения естественная неорганизованная сушка сырья,  полуфабрикатов и изделий уступила место различным способам  искусственной сушки и обезвоживания материалов.

В настоящее время трудно  найти такое производство, где бы  изделия или материалы в процессе их технологической обработки не  подвергались сушке. В ряде случаев сушка некоторых материалов неотделима от их  полимеризации, и часто эти процессы совмещаются в одном агрегате.

Сушка является ответственным процессом, требующим глубокого понимания теории и знания  современной техники. Благодаря широко развернувшейся  научно-исследовательской работе в объеме,  возможном только в нашей стране, сушка стала научной отраслью знаний.

Основы науки о сушке  материалов в нашей стране были  разработаны значительно раньше, чем за границей. Однако особенно большое развитие наука о сушке материалов получила после Великой  Октябрьской социалистической революции, и в настоящее время нет такой  области в рассматриваемой дисциплине, где бы наши советские ученые и  работники промышленности не внесли решающего вклада. Многие  научные исследования наших ученых проведены гораздо шире и  выполнены на более высоком уровне, чем аналогичные работы за рубежом, а ряд конструкций отечественных  сушильных установок по своим  технико-экономическим показателям превосходит заграничные установки.

Так, например, основные  принципы динамики процесса сушки были сформулированы впервые  русским почвоведом проф. П. С. Косовичем.

М-диаграмма влажного воздуха, имеющая большое значение для  понимания и расчета процессов  сушки, была создана и опубликована проф. Л. К. Рамзиным в 1918 г.

Удостоенная Государственной премии первой степени научная  работа А. В. Лыкова «Теория сушки» основана на  физико-математическом анализе сушильного процесса.

Она обобщает различные способы сушки и дает возможность  установить оптимальный режим сушки  материалов при различных способах подвода тепла. Основные  положения книги получили дальнейшее развитие в работах учеников его школы и завоевали мировое  признание

Сотрудники сушильной  лаборатории Всесоюзного  теплотехнического института А. П. Ворошилов, М. Ю. Лурье, Н. М. Михайлов, И. М. Федоров и др. провели  большие научно-исследовательские работы по тепло- и массообмену при различных способах подвода тепла к сушимому материалу и  разработали конструкции различных  сушилок, а также предложили  рациональную схему сушки материалов непосредственно топочными газами.

Важные работы по теории сушки древесины были проведены в ЦНИИМОД Б. А. Посновым, а  также по созданию новых типов и  усовершенствованию существующих конструкций лесосушилок И. В.  Кречетовым.

В лаборатории промышленной теплотехники Ивановского  энергетического института (ИВЭИ) проф. Г. К. Филоненко были проведены большие работы по исследованию скорости сушки различных  текстильных материалов и торфа, а также по использованию тепла, воздуха, уходящего из сушилки.

Наша страна сделала огромный вклад в дело применения токов  высокой частоты. Приоритет  применения токов высокой частоты для  сушки древесины принадлежит  советскому ученому проф. Н. С. Селюгину.

Работы отечественных ученых и инженерно-технических работников промышленных предприятий в  области науки и техники сушки  получили высокую правительственную оценку, некоторые из них удостоены государственных премий. В капиталистических странах разработка теории сушки ведется по заданиям отдельных фирм,  заинтересованных лишь в решении частных задач своего производства.

Изготовление сушилок разбросано по многим заводам. В противоположность этому в СССР сушильная техника  получила невиданное развитие на базе содружества науки и производства, объединения теории и практики, обобщения научных исследований применительно к группам или  классам материалов, что позволяет  переносить положительный опыт  сушильной техники, полученный в  одной отрасли, в другие отрасли  народного хозяйства.

В нашей стране проблемы сушки разрабатываются в крупных,  оснащенных первоклассной техникой  лабораториях, к числу которых в  первую очередь следует отнести  сушильную лабораторию  Энергетического института Академии наук БССР, сушильные лаборатории МЭИ, МТИПП, ЦНИИКП и  многих других академических и  научно-исследовательских институтов, в которых ведутся большие работы по сушке материалов.

В нашей промышленности  применяются в основном типы и  конструкции отечественных сушилок. Условия плановой социалистической системы хозяйства промышленных предприятий позволяют применять рациональные энергетические  схемы сушильных установок с  регенерацией и использованием  отработавшего тепла для технологических нужд предприятий, которые не могли получить развития в  капиталистических странах.

Дальнейшее развитие советской сушильной техники идет по пути укрупнения агрегатных мощностей, применения более высоких  температур сушильного агента, мощных лучистых потоков при  радиационной сушке материалов, а также  применения новых комбинированных способов сушки, которые, требуя полной автоматизации, позволят резко увеличить  производительность, не снижая требуемого  качества сушки материалов.

ГЛАВА ПЕРВАЯ

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СУШИЛЬНЫХ УСТАНОВОК

1-1. Естественная и искусственная сушка материала и классификация сушильных установок Сушкой называется термический процесс удаления из твердых  материалов или растворов  содержащейся в них влаги за счет ее  испарения или выпаривания. Этим сушка отличается от других методов  удаления влаги, например путем  поглощения ее химическими  реагентами или механического отделения.

Изделия или материалы  приходится сушить в зависимости от их назначения. Топливо, например,  сушат для увеличения теплоты  сгорания (улучшения процесса горения), древесину—-для увеличения  прочности, предохранения от загнивания и плесени, различные изделия — для увеличения долговечности,  облегчения обработки и т. п. Ряд  материалов подвергается сушке для  уменьшения их веса и удешевления  перевозки, для изменения физических свойств (например, уменьшения теплопроводности), с целью консервирования (пищевые продукты) и т. п.

Сушка материала может быть необходима перед его измельчением (размол углей и пр.). Перечень  материалов, подвергающихся в  промышленности сушке, чрезвычайно велик, а глубина сушки,  определяемая конечным содержанием влаги, в каждом отдельном случае зависит от многих причин.

Сушка материалов может  происходить естественным путем (на  открытом воздухе) и искусственным путем (в сушилках). При естественной сушке  материал можно высушить только до влажности, близкой к равновесной, соответствующей параметрам  окружающего воздуха и в ряде случаев не отвечающей требованиям  последующей технологической обработки материалов.

Достоинством искусственной сушки материала по сравнению с естественной сушкой на открытом воздухе является значительно  меньшая ее продолжительность. Рассмотрение естественной  сушки материалов, не требующей  затрат тепла топлива, не входит в  задачу настоящего курса, в котором излагаются основные теоретические и практические вопросы  искусственной сушки материалов, получившей в последние годы большое развитие во всех отраслях народного  хозяйства.

Применяя механические способы обезвоживания материалов (отжатие, центрифугирование,  отсасывание влаги или фильтрование),  можно удалить из них только часть  влаги. Влага, которую можно удалить механическим способом, не имеет прочной связи с материалом. 

Механическое обезвоживание  экономичнее тепловой сушки материала. Однако механическое  обезвоживание обеспечивает только частичное удаление свободной влаги, поэтому обычно его комбинируют с  последующей тепловой сушкой. Остановимся на классификации сушильных установок.

1. По способу подвода тепла различают следующие типы сушилок:

а) конвективные, когда тепло, необходимое для испарения влаги из материала, передается от  воздуха, топочных газов или перегретого пара сушимому материалу путем непрерывного или периодического соприкосновения, путем конвекции;

б) контактные, или кондукционные, когда тепло, необходимое для испарения влаги из материала,  передается ему от горячей  поверхности или от жидкости,  соприкасающейся с материалом, имеющей обычно температуру выше 100° С;

в) сушка в поле токов высокой или промышленной частоты, когда температура внутри материала  повышается и благодаря этому влага из внутренних слоев быстро  продвигается к поверхности и испаряется в окружающую среду.

Кроме того, применяются  комбинированные способы сушки:  конвективно-контактная сушка, сушка  токами высокой частоты в  комбинации с конвективной,  терморадиационной и т. п.

2. В зависимости от давления сушильного агента в рабочем  пространстве различают атмосферные сушилки, в которых высушивание материала происходит при  атмосферном или незначительно  отличающемся от него давлении, и  вакуумные сушилки, работающие при давлении в сушильной камере,  значительно меньшем атмосферного.

3. По характеру работы  различают сушилки периодического действия с периодической  загрузкой и выгрузкой всего  высушиваемого материала и  непрерывного действия, в которых  загрузка и выгрузка материала производятся непрерывно (ленточные, конвейерные и им подобные  сушилки), или же через определенные промежутки времени с одной  стороны загружается часть  помещаемого в сушилку материала по мере выгрузки такой же части  высушиваемого материала с другой  стороны сушилки—коридорные сушилки.

4. В зависимости от  применяемого сушильного агента различают сушилки, использующие воздух, и сушилки на Сопочных газах. Для материалов, которые при сушке не должны соприкасаться с  кислородом воздуха, могут получить  применение установки с использованием в качестве сушильного агента  перегретого пара или других инертных газов.

5. По движению сушильного агента относительно высушиваемого материала различают сушилки,  работающие прямотоком, когда  направления движения  высушиваемого материала и сушильного агента совпадают, работающие  противотоком, когда направления эти  противоположны, сушилки с  перекрестным током, при котором  направления движения материала и  сушильного агента перпендикулярны одно другому, и, наконец, сушилки с  реверсивным током, когда  направление движения сушильного агента относительно материала переменно.

6. По принципу циркуляции  сушильного агента различают  установки с естественной циркуляцией, в которых движение сушильного агента внутри камеры происходит вследствие разности плотностей  газа в различных частях камеры, и с искусственной циркуляцией, в  которых движение сушильного агента осуществляется при помощи  центробежных или осевых  вентиляторов или струйных  насосов-эжекторов.

7. По способу нагрева  сушильного агента различают сушилки с паровым обогревом, в которых  нагревание сушильного агента  происходит в поверхностных  подогревателях при помощи пара с давлением от 3 до 10 атм, причем сушильный агент (воздух) нагревается обычно до 60—145° С. Повышение  температуры нагрева и, следовательно,  необходимого давления греющего пара еще больше удорожает  оборудование сушилок. В последние годы ведутся работы по изысканию  новых высококипящих  теплоносителей, которые могли бы позволить подогревать сушильный агент до высоких температур (300—400° С)