МАШИНОСТРОЕНИЕ

СУШИЛЬНЫЕ АППАРАТЫ С ВРАЩАЮЩИМСЯ БАРАБАНОМ

Сушильные аппараты с вращающимся барабаном (барабанные сушилки) широко ис­пользуются в промышленности для сушки раз­нообразных по агрегатному состоянию и структуре материалов: кусковых, кристалличе­ских, зернистых, порошкообразных, пастооб­разных, жидких [44]. Основным элементом ба­рабанных сушилок является горизонтальный или слегка наклонный к горизонту вращаю­щийся цилиндрический корпус, внутри которо­го установлены насадки различного типа, спо­собствующие равномерному распределению и перемешиванию высушиваемого материала. По режиму работы барабанные сушилки могут быть периодического и непрерывного дейст­вия, а по способу подвода теплоты - контакт­ными или конвективными.

В контактных сушилках для подвода теп­лоты к высушиваемому материалу барабан имеет рубашку, змеевик или трубчатый тепло­обменник. Удаление паров испаренной влаги может быть осуществлено поддержанием ва­куума в барабане либо продувкой его атмо­сферным воздухом.

Вакуумная барабанная сушилка периоди­ческого действия с контактным подводом теп­лоты через рубашку на корпусе и змеевиком

Внутри используется для глубокой сушки по­лимерных материалов (лавсана, полипропилена и др.). Барабан в виде цилиндра вращается на эксцентрично расположенных цапфах 5, 6, установленных в подшипниковых опорах 3, 4 (рис. 5.2.2). Загрузка и выгрузка продукта осу­ществляется через один и тот же люк, снаб­женный шибером и крышкой, при соответст­вующем повороте аппарата. Подача пара в ру­башку и змеевик и отвод конденсата осуществ­ляются через подвижный коллектор со стороны привода через цапфу. С противоположной сто­роны подключается вакуумная система. Экс­центричное расположение оси вращения бара­бана обеспечивает комбинированное продольно - поперечное перемешивание высушиваемого материала и контактирование его частиц с греющими поверхностями.

Барабанные сушилки непрерывного дей­ствия с контактным подводом теплоты посред­ством трубчатого теплообменника могут вы­полняться по двум вариантам нахождения вы­сушиваемого материала в зоне сушки: в меж­трубном и трубном пространстве. При паровом обогреве труб они расположены по всей длине барабана, укреплены внутри него одним, двумя или тремя концентрическими рядами и враща­ются вместе с корпусом сушилки. Влажный материал подают в сушилку по загрузочному желобу или с помощью шнекового питателя. Разгрузка продукта происходит через перифе­рийные отверстия в корпусе сушилки, которые служат также для продувки аппарата воздухом с целью удаления паров влаги. Греющий пар поступает в трубки через вращающуюся рас­пределительную головку со стороны паропро­вода. Конденсат непрерывно удаляется самоте­ком через соединительное устройство при со­ответствующем повороте барабана.

В барабанной трубчатой сушилке, вы­полненной по другому варианту, материал с помощью специального питателя равномерно распределяется по трубам и движется внутри них к выходному отверстию. Подача пара в межтрубное пространство и отвод конденсата осуществляется через полые цапфы. В связи с тем, что барабан несколько наклонен к гори­зонту, а трубы имеют сравнительно небольшой диаметр (100 мм), движение материала в них затруднено. Поэтому аппараты такой конст­рукции применяют для сушки хорошо сыпучих материалов с размером кусков не более 20 мм (угля, шлака, песка и др.).

Конвективные барабанные сушилки по­лучили наиболее широкое применение в про­мышленности для сушки влажных материалов подогретым атмосферным воздухом или то­почными газами в условиях прямоточного или противоточного движения сушильного агента и высушиваемого материала. Аппараты такого типа отличаются экономичностью, большой производительностью, высокой надежностью в эксплуатации.

Типичная конструкция барабанной кон­вективной сушилки приведена на рис. 5.2.3. Сушильная камера представляет собой установ­ленный под углом 0,5...6° к горизонтали вра­щающийся барабан 8, на который надеты два бандажа 10 и зубчатый венец 9 привода. Аппа­рат опирается бандажами на свободно вра­щающиеся ролики, закрепленные на опорной раме 3 и опорно-упорной станции 5. Два упор­ных ролика, установленных на раме опорно - упорной станции, ограничивают осевое смеще­ние корпуса барабана. Барабан вращается от мо - торно-редукторной приводной станции 4 через зубчатый венец 9 с частотой 0,5... 15 мин-1. Оба

Конца барабана помещены в загрузочную 2 и разгрузочную 6 камеры, через которые осуще­ствляется ввод и вывод сушильного агента и высушиваемого продукта.

Для исключения пыления в производст­венное помещение барабанные конвективные сушилки обычно работают при небольшом разрежении (50 .250 Па), а для исключения подсоса воздуха и увеличения нагрузки на ды­мососы стыки барабана с загрузочной и разгру­зочной камерами уплотняют в зависимости от температурных условий процесса сушки тор­цовыми, сальниковыми, ленточными, сектор­ными или лабиринтными уплотнениями.

Внутри вращающегося корпуса сушилки закреплены различные насадки, предназначен­ные для перемешивания высушиваемого мате­риала и обеспечения наиболее полного контак­тирования его частиц с газообразным агентом сушки. Форма насадки соответствует свойст­вам высушиваемого материала, и при их изме­нении она может быть разной по длине бараба­на. Наиболее распространенные конструкции насадок барабанов показаны на рис. 5.2.4.

Со стороны загрузочной камеры разме­щают приемно-распределительную насадку в виде винтовых лопастей (рис. 5.2.4, а). Само­очищающиеся поворотные лопатки иногда ус­танавливают за винтовой распределительной насадкой при сушке липких материалов (рис. 5.2.4, е). При сушке комкующихся, но рассыпающихся при подсушке и падении ма­териалов, за винтовой насадкой помещают периферийную подъемно-лопастную насадку (рис. 5.2.4, б-г, .ж), в конце барабана - сектор­ную (рис. 5.2.4, з, и) с пятью, шестью и более секторами. Если материал хорошо сыпучий, то за винтовой насадкой помещают секторную, которая лучше интенсифицирует процесс суш­ки и способствует снижению расхода электро­энергии на вращение барабана. Для хорошо сыпучих материалов можно использовать на­садку, подобную показанной на рис. 5.2.4, д.

Интенсивность процесса сушки во мно­гом зависит от доли материала, находящегося в непосредственном контакте с сушильным га­зом. Поэтому стремятся увеличить количество материала, находящегося в «сыпи», путем уве­личения ширины полок подъемно-лопастной насадки или отбортовки их краев (рис. 5.2.4, б, б), либо применяя продольное секционирование барабана (рис. 5.2.4, д, з, и). Для зернистых материалов применяют специ­альную жалюзийную насадку, обеспечиваю­
щую сквозную продувку газом перемешивае­мого слоя по типу сушилки «Рото-Лувр». По­добные конструкции дают увеличение интен­сивности сушки по сравнению с обычными ба­рабанами в 1,5-2 раза.

В варианте сушки жидких материалов конвективные барабанные сушилки оборуду­ются форсунками для напыления раствора или пульпы на слой высушиваемого материала. При этом получают продукт в гранулирован­ной форме.

Технологический расчет сушильных аппаратов с вращающимися барабанами. Он содержит определение расходов теплоноси­теля и газового агента сушки, объема и габа­ритных размеров барабана (диаметра, длины), угла наклона, частоты вращения и мощности, требуемой для вращения барабана. Решение материального и теплового балансов, обычное для контактной и конвективной сушки.

Точное описание кинетики процесса суш­ки в контактных барабанных сушилках затруд­нено тем, что частицы материала не находятся в постоянном контакте с греющими поверхно­стями, а постоянно перемещаются в глубину плотного слоя материала. Поэтому обычно ис­пользуют опытные кривые сушки, обработан­ные по методу А. В. Лыкова [37], либо практи­ческие данные по значениям коэффициентов теплопередачи, которые в барабанных сушил­ках с паровым трубчатым обогревом находятся в пределах 30...90 Вт/(м2-К) в диапазоне дав­лений греющего пара 0,1... 1 МПа. Повышение давления пара увеличивает коэффициент теп­лопередачи за счет радиального теплового по­тока от стенок.

Кинетика процесса сушки в конвектив­ных барабанных сушилках также имеет свои особенности. Рассчитать барабанную сушилку через межфазные коэффициенты тепло - и мас - сообмена очень сложно, так как материал зна­чительную часть времени пребывания в зоне сушки находится в плотном слое, и частицы омываются сушильным агентом лишь на его поверхности и в моменты пересыпания с на­садки на слой. Затруднительно также исполь­зование опытных кривых сушки и применение метода А. В.Лыкова. Наиболее достоверные ре­зультаты дает использование в расчетах пока­зателя интенсивности процесса сушки, назы­ваемого напряжением рабочего объема по ис­паряемой влаге Лу, кг/(м3 ч).

Показатель Лу характеризуется массой влаги, испарившейся в единицу времени в еди­нице объема сушилки из конкретного материа­ла при определенных температурных условиях. Следовательно, зная напряжение сушилки по испаряемой влаге, можно найти рабочий объем барабана:

Кб = WjAy .

Где Vfi - объем барабана, W - производитель­ность сушилки по испаренной влаге.

Требуемая площадь поперечного сечения барабана S может быть рассчитана по макси­мально допустимой скорости газов на выходе из барабана, из уравнения расхода:

S = nD2/4 = VK/(\-PM)w,

Где Ук - объемный расход сушильного газа в условиях выхода: Рм - коэффициент заполне­ния барабана материалом; Рм = 0,15... 0,35; D - внутренний диаметр барабана; w - макси­мально допустимая скорость газов в аппарате, зависящая от размеров и плотности частиц.

Максимальную скорость газа можно при­нять равной скорости витания частиц фракций допустимого уноса высушиваемого материала. При отсутствии требований к допустимому уносу продукта или данных по гранулометри­ческому составу материала обычно пользуются практическими данными по допустимым ско­ростям сушильного агента, обусловленным при­емлемым уносом мелких фракций (табл. 5.2.3).

Напряжение сушилки по испаряемой вла­ге принимают исходя из данных, полученных на опытной установке. Во многих случаях с достаточной точностью можно пользоваться обобщенными данными по величинам Ау ба­рабанных сушилок, работающих в промыш­ленности (табл. 5.2.4).

Длина барабана Iq = Vq /S.

5.2.3. Максимально допустимая скорость газов в зависимости от размеров и плотности частиц

5.2.4. Значения показателя интенсивности процесса сушки Ау при различной влажности материала, кг/(м3ч)

Наружный диаметр барабана с учетом толщины стенки обечайки

/>„=/> + 28ст,

Где 5СТ - толщина стенки обечайки, зависящая от габаритных размеров сушилки.

Величину 5СТ принимают ориентиро­вочно в пределах 5СТ = 5...22 мм в зависимо­сти от диаметра барабана DH = 0,5...3,5 м. При температуре сушильного агента выше 400 °С величина 5СТ должна учитывать также толщину футеровки, равную приблизительно 100...200 мм.

Полученные значения /q и DH округля­ют до ближайших размеров типовой сушилки по каталожным данным, либо до приемлемых проектных размеров вновь разрабатываемой сушилки. Отношение длины барабана к диа­метру обычно/q/D = 3,5...7 [34].

Используя последнее соотношение, мож­но оценить диаметр и длину барабана другим способом. Задавшись отношением к = /q/D в пределах рекомендуемого, из геометрического

Определения объема барабана = 7tZ>2/q /4 = можно найти диаметр

14f/6

Барабана D = --------- и его длину/q, затем

V пк

Уточнить размеры проектируемого либо типо­вого барабана по каталогу [63].

Для принятого диаметра барабана и ба­лансового расхода газов следует определить действительную скорость потока газов w в се­чении барабана при условиях выхода и оценить ее допустимость в соответствии данными табл. 5.2.3. По действительной скорости потока воздуха можно также определить граничный размер частиц уноса. Эту оценку можно вы­полнить с помощью критерия Лященко (Ly). Рассчитав критерий Ly, из графика

Ly = /(Аг, є) [53] при порозности 8 = 1 оп­ределяют критерий Архимеда, а затем - размер частиц уноса:

V £РмР

Где ц, р - соответственно динамическая вяз­кость и плотность газа при условиях выхода; рм - плотность частиц высушиваемого мате­риала.

Уточнив геометрические размеры типо­вого сушильного барабана, необходимо рас­считать его объем и действительную величину напряжения сушилки по испаренной влаге.

Время пребывания материала в барабане, соответствующее требуемому времени сушки,

^Рм/См^бРмРн/Сср,

Где GM - объемный расход материала через сушилку; Gcp =0,5 (Go +GK) - средняя мас­са материала, проходящего через барабан; G0, GK - расходы влажного и сухого мате­риала.

Значение т может быть выражено через изменение влажности материала:

Т =

Av[200-(Wh-Wk)J

Где WH, WK - соответственно начальная и ко­нечная влажность материала, % (на общую массу).

Для барабанных сушилок с подъемно - лопастной и комбинированной насадкой часто­ту вращения барабана можно рассчитать по эмпирической формуле А. П. Ворошилова:

Mkh

П - -

IZygcx

Где т, к - коэффициенты, зависящие от типа насадки и направления движения; т - время пребывания материала в барабане, мин; a - угол наклона барабана; обычно a = 0,5...6°.

При насадке типов, показанных на рис. 5.2.4, б, в, г, ж, т - 0,6; к > 0,2 (прямоток газа и материала), к - 0,5 (противоток); при на­садке типов, показанных на рис. 5.2.4, д, з, и, т = 0,75 ...1,0; 0,7 (прямоток), к <2 (проти­воток).

Угол наклона барабана может быть рас­считан по заданной частоте его вращения п\

ЗОЛ

•f 0,007 w

DHn т где w - расчетная (действительная) скорость газов в сушилке, м/с.

Если полученное значение а окажется меньше 0,5° или 6°, то частоту вращения бара­бана соответственно уменьшают или увеличи­вают и расчет повторяют.

Мощность, затрачиваемую на вращение барабана, ориентировочно определяют по фор­муле, кВт,

N = 0,0013£>н/0рна",

Где a - коэффициент, зависящий от типа на­садки и коэффициента заполнения Рм; a = 0,038 при Рм = 0,1 и а = 0,071 при Рм = 0,25 для подъемно-лопастной насадки; a = 0,013 при Рм=0,1 и a = 0,044 при Рм = 0,25 для секторной насадки; п - частота вращения барабана, мин-1.

Расчет на прочность элементов сушиль­ных аппаратов с вращающимися барабанами выполняют согласно нормам и методам расче­та на прочность корпусов, бандажей, опорных и упорных роликов барабанных сушилок, изго­товляемых из углеродистых и низколегирован­ных сталей (РД 2601-158). При расчете корпу­са барабана учитывают знакопеременное дей­ствие изгибающих моментов, перерезывающих сил и крутящих моментов.