Теоретические положения по организации двухконтурной низкотемпературной сушильной установки

2.1 Обоснование физической модели

Основными требованиями к сушильным установкам - обеспечение равномерности сушки и получение высококачественного продукта во всем объеме сушильной камеры при высоких технико-экономических показателях.

Атмосферный воздух состояния точки 1 (рис. 2.1) поступает в секцию охладителя Охл-2, где охлаждается и осушается до состояния точки 2, после чего поступает на смешивание с сушильным агентом состоя­ния точки а, находящимся в замкнутом циркуляционном контуре. После смешения (точка 5) смесь поступает в охладительную камеру продукта СКмЗ, где отводит тепло и влагу от продукта, подогревает­ся и насыщается влагой до состояния точки 4 (процесс 3-4).

Затем смесь поступает в секцию нагревателя НГ-Кд2, где подогревается до состояния точки 5. Через секцию нагревателя НГ-Кд1 проходит часть сушильного агента состояния точки d, которая подогревается до состояния точки 6. После нагрева­теля оба потока на участке У1 смешиваются до состояния точки 7, и эта смесь вентилятором ВН1 через участок контура У2 подается в секции тепловой сушильной камеры СКм1 и СКм2, где, нагревая и осушая продукт, смесь охлаждается и насыщается влагой до состоя­ния точки 8. Часть насыщенного сушильного агента выводится в окружающую среду через патрубок П2; другая часть воздуха состоя­ния точки 8, пройдя участок УЗ, через ответвление У4 вентилятором ВН2 подается через участок У5 в секцию охладителя Охл-4, где охлаждается до состояния точки d и поступает на смешение с атмос­ферным воздухом. Остальная часть сушильного агента через отверс­тие У6 поступает на вход в секцию нагревателя НГ-Kд1. Цикл работы циркуляционного контура сушильного агента замыкается.

Использование комбинированных процессов и разветвленных циркуляционных контуров позволяет обеспечить больший удельный отвод влаги продукта при сушке в режимах охлаждения, чем в условиях полностью замкнутого циркуляционного контура (в цикле a-b-c-d-a), так как Δd₃ > Δd₁; а также обеспечить некоторое увели­чение отвода влаги в теплой сушильной камере, так как Δd₄ > Δd_2.

При работе в начальный период сушки система обеспечивает обработку воздуха в соответствующих процессах 1-2-3-4-1 (рис.2.1). В последующее время протекания процесса сушки система позволяет осуществить более сложные процессы обработки воздуха. Обработанный в охладителе-испарителе воздух состояния точки 1 (рис. 2.1) может пройти увлажнение до и после нагревателя-конденсатора: при увлажнении нагретого воздуха горячим паром обеспечивается сохранение температуры воздуха Т₂ и увеличение относительной влажности воздуха. При впрыске в осушенный воздух холодной воды обеспечивается поддержание температуры Т₁ и увеличение влагосодержания от d₁ до d₂, и после дующий подогрев воздуха до температуры Т₂, что позволяет обеспе­чить прохождение процесса сушки с измененным значением.

Рисунок 2.1 - Схема двухконтурной су­шилки с тепловым насосом и электро­нагревателем

Для получения высококачественного сухого продукта с высокими значениями влагоемкости целесообразно использовать переменные режимы сушки, изменяя значение влагосодержания и температуры воздуха t_i в широких пределах, не превышающих, однако, макси­мально допустимых температур сушки. Для выполнения таких условий В.М.Шляховецким и Р.И.Шаззо разработана схема двухкон­турной теплонасосной сушильной установки (рис. 2.1), в которой продукт осушается последовательно холодным воздухом в сушиль­ной камере СКм1 и нагретым в сушильной камере СКм2.

Система работает следующим образом (рис. 2.1). Воздух с парамет­рами окружающей среды t_o.c, охлаждается в воздухоохладителе- испарителе хладагента, температура площади поверхности теплопе­редачи которого равна t_oxл и ниже точки росы. Охлажденный и осушенный воздух с параметрами ta,d_a поступает в СКм, где подогревается до температуры t_b и увеличивает свое влагосодержание на величину Δd₁ (до значения d_b), отбирая от продукта влагу в количестве Δw_ba=W₁-w₂. Затем воздух поступает в нагреватель-конденсатор хладагента Кд, где подогревается до температуры t_с без изменения влагосодержания, доводится до заданной технологической температуры электронагревателем НГ-Э, после чего поступает в СКм2.

Нагревая продукт от температуры t₂ до температуры t₃, воздух охлаждается и насыщается влагой, его влагосодержание увеличивается на величину Δd₂ (до значения d₁), отбирая от продукта влагу в количестве ΔW_de = W₃- W₂.

Рисунок 2.2 - Отображение процессов обработки влажного воздуха в двухконтурной сушил­ке с тепловым насосом и электронагревателем на H-d-диаграмме.

Насыщенный воздух поступает в охладитель-испаритель хладаген­та, где осушается до величины d_a и охлаждается до температуры t_a. Далее цикл обработки повторяется при циркуляции воздуха в замкнутых контурах, с непрерывным отводом воздухом влаги от продукта и последующим выводом влаги из воздуха в охладителе. Порядок работы оборудования теплового насоса, осуществляющего замкнутый цикл хладагента, общеизвестен.

Наличие жестких взаимосвязей между технологическими процес­сами сушки и охлаждения продукта - процессы a-b-c-d-a, напри­мер в системе по (рис. 2.2) и др., приводит к тому, что при переменных режимах работы, обусловленных изменениями в составе сырья, нельзя обеспечить заданное качество продукта (после сушки или охлажде­ния). Описанные ранее системы не способствуют интенсификации процессов сушки, так как в замкнутом циркуляционном кольце перемещается сушильный агент с неизменными (в процессах а-b и c-d на рис. 2.2) свойствами. При этом температура t_c последователь­но возрастает, что не во всех случаях допустимо.

Таким образом, для проведения эффективного процесса низкотемпературной сушки в кондиционированном воздухе необходимо рассчитать продолжительность сушки t_с, процесс изменения средней температуры продукта и среднего влагосодержания продукта , анализируя динамику изменения полей температуры , влагосодержании , и парциальных давлений водяного пара , учитывая температуру нагрева и параметры кондиционированного воздуха ( , , ), при условии , .

Для получения высококачественного продукта с высокими значениями влагоемкости целесообразно использовать переменные режимы сушки, изменяя значение влагосодержания di и температуры сушильного агента ti в широких пределах, не превышающих, однако, максимально допустимых температур сушки. Для выполнения таких условий и использования теплоты отработавшего сушильного агента была разработана схема двухконтурной сушильной установки .

Сушильный агент с параметрами окружающей среды (т. 1) охлаждается в охладителеиспарителе И, температура площади поверхности теплопередачи которого ниже точки росы. Охлажденный и осушенный воздух с параметрами точки 2 с помощью вентилятор поступает в сушильную камеру СК1, где подогревается до температуры t3 и увеличивает свое влагосодержание на величину ∆d_х=d₃-d₂ (т. 3). Затем воздух поступает в нагреватель-конденсатор КД, где подогревается без изменения влагосодержания (т. 4), доводится до заданной технологической температуры в теплообменнике "воздух-воздух" ТО (т. 4´) и электронагревателе ЭН (т. 5), после чего поступает в сушильную камеру СК2. Нагревая продукт, воздух охлаждается и насыщается влагой, его влагосодержание увеличивается на величину ∆d_т = d₆ - d₅, отбирая от продукта оставшуюся влагу. Теплота отработавшего сушильного агента используется в теплообменнике ТО (процесс 6-6´).

Для всестороннего анализа работы указанной схемы была разработана математическая модель работы сушильной установки.

Для проведения теоретического исследования выбран тепловой насос и теплообменник с заданными геометрическими характеристиками. Определение режима работы при регулирующем воздействии (производительность вентилятора) выполнялось на основе равенства потоков тепла и массы.

Исходные данные для расчетов:

· количество высушиваемого продукта - G_пд кг/час;

· начальная влажность - φ_нач;

· конечная влажность - φ_кон;

· температура воздуха перед подачей в "теплую" сушильную камеру 700С;

· параметры окружающего воздуха: температура t_ос, 0C, влажность φ_ос, %.

Рисунок 2.3 -Схема двухконтурной сушильной установки и отображение процессов обработки воздуха в H-d-диаграмме

Приняты следующие допущения:

• воздух поступает в испаритель из окружающей среды;
• тепловлажностное отношение в процессе сушки в "теплой" сушильной камере - ε_т, Дж/кг/(г/кг);
• тепловлажностное отношение в процессе сушки в "холодной" сушильной камере - ε_х Дж/кг/(г/кг);
• отношение испаряемой влаги между "холодной" и "теплой" сушильными камерами -β;

Установка имитирует работу двухконтурной схемы с теплообменником перед электронагревателем и включает в себя:

• тепловой насос марки ИФ-49 в составе компрессора 5, конденсатора 6, терморегулирующего вентиля 4, испарительной камеры 3;

контур обработки сушильного агента в составе испарительной камеры 3, вентилятора 7 марки ВР-300-2,5, сушильной камеры 8, теплообменника 10, электронагревателей 9 и 12 мощностью 12,7 и 2 кВт соответственно, шиберов регулирования подачи наружного воздуха 1 и воздуха из помещения 2.