instala Ţii de uscare - 2407mewebnode.yolasite.com2407mewebnode.yolasite.com/resources/2.pdf ·...
TRANSCRIPT
INSTALAINSTALAŢŢII DE USCAREII DE USCARE
Instalaţiile de uscare se folosesc pentru îmbunătăţirea calităţii materialelor în scopul mării posibilităţilor lor de utilizare prin micşorarea umidităţii acestora.
Căi de îndepărtare a umidităţii din materiale: •Mecanică (prese, centrifuge, vacuumfiltre);•Chimică (substanţe absorbante de umiditate);•Termică (evaporarea sau
vaporizarea naturală/artificială).
Definiţia uscării: procesul termic prin care materialele îşi micşorează umiditatea prin evaporarea acesteia.
Uscarea
aartificial
naturala
Uscarea naturală → are loc la aer în spaţii speciale, fără circulaţie artificială sau încălzirea agentului de uscare.Uscarea artificială → are loc în instalaţii de uscare din care agentul de uscare, care a absorbit vaporii de apă, este evacuat pe cale artificială cu ajutorul ventilatoarelor sau a altor instalaţii de tiraj. Agentul de uscare este încălzit sau uscat înainte de a fi introdus în camera de uscare.Mecanismul şi cinetica uscării materialelor:
�Modul de legare al umidităţii de material:
−
−
;
;
;
mecanicafizico
chimicafizico
chimica
�Regimul de uscare (viteza şi parametrii agentului de uscare).
VariaVariaţţia ia îîn timp a umidităn timp a umidităţţii, ii, temperaturii temperaturii şşi vitezei de uscarei vitezei de uscare
AB
C
D
t = ct.
ϕϕϕϕ = ct.
θθθθ
vus
θθθθ =tum
w
ττττ0 ττττ1 ττττ2
ττττ
ττττ
wcr whigr. wech
Calculul instalaţiilor convective de uscareParametrii aerului umed:
•Umiditatea absolută: reprezintă greutatea vaporilor de apă conţinuţi într-un metru cub de aer umed
=
3m
kg
V
M vapψ
•Umiditatea relativă: se defineşte ca raportul dintre greutatea vaporilor de apă conţinuţi într-un metru cub de aer umed şi greutatea vaporilor de apă necesari pentru saturarea aceluiaşi volum de aer, la aceeaşi temperatură şi presiune
°>
°<
====
.100,
;100,
maxCt
p
p
Ctp
p
p
p
M
M
B
vap
sat
vap
vap
sat
vap
sat
vap
ρ
ρϕ
•Conţinutul de umiditate (umiditatea): resprezintă greutatea vaporilor de apă din aer, raportată la un kilogram de aer uscat
=
..usakg
kg
M
Mx
aer
vap
TRMVp aeraeraer ⋅⋅=⋅
TRMVp vapvapvap ⋅⋅=⋅
⇒⋅=vap
aer
vap
aer
vap
aer
R
R
M
M
p
p
⋅=⋅==
..622,0
usakg
kg
p
p
p
p
R
R
M
Mx
aer
vap
aer
vap
vap
aer
aer
vap
⇒
⋅=
+=
satvap
vapaerB
pp
ppp
ϕ
⋅−
⋅⋅=
..622,0
usakg
kg
pp
px
satB
sat
ϕϕ
Ecuaţia Clapeyron pentru aer şi vaporii de apă:
•Entalpia aerului:( )
⋅+⋅+⋅=+=
....,..
usakg
kJtcrxtciiI vapusapvapusa
( )
⋅++⋅=
..863,12500006,1
usakg
kJtxtI
Diagrama I-x (Mollier) pentru aerul umed:
I = ct.
t = ct.
ϕ = ct.
pvap
ϕ = 100%
I
x
pvap
A
tA
ϕA
pvap,A
tum,Atr,A
xA
IA
..usakg
kJ
2
m
N
..usakg
kg
Bilanţul material al produselor supuse uscării:
•Ecuaţia generală:
+=h
kgWMM 21
[ ]%100⋅+
=WM
Ww
us
[ ]%100⋅=usM
Ww
[ ]%100
100100
a
a
us
us
us
w
w
M
WM
M
W
w+
⋅=⋅
+= [ ]%
100
100
w
ww
a
−
⋅=
•Umiditatea materialului:�raportată la toată masa sa: �raportată la masa materialului complet uscat:
•Cantitatea de material complet uscat:
( ) ( )
−
−⋅=
−
−⋅=
⇒
−⋅=
−⋅=
1
221
2
112
2211
100
100
100
100
100
100
100
100
w
wMM
w
wMM
h
kgwMwMMus
−
−⋅=−
−
−⋅
−
−⋅=
−
−⋅−
=−=h
kg
w
wwMM
w
wM
w
wwM
w
wMM
MMW
1
2122
1
22
2
211
2
111
21
100100
100
100100
100
+
−⋅
+
−⋅
=−=h
kg
w
wwM
w
wwM
MMW
a
aa
a
aa
2
212
1
211
21
100
100
•Cantitatea de umiditate eliminată din material:
⋅+⋅=⋅+⋅h
kgxL
wMxL
wM 2
220
11
100100
( )022211
100xxL
wMwMW −⋅=
⋅−⋅=
−==
kg
kg
xxW
Ll
02
1
•Bilanţul umidităţii în instalaţia de uscare:
Aer
L0
I0
t0x0
ϕ0
L1
I1
t1x1
ϕ1
L2
I2
t2x2
ϕ2
Material
M1, w1, θ1
M2, w2, θ2
Agent
încălzire
Ventilator
Calorifer
Calorifer
suplimentar
•Bilanţul termic al instalaţiei de uscare teoretice:
221100 ILILQIL ⋅=⋅=+⋅
.21210 ctIILLLL ==⇒===
( ) ( ) ( ) ( )02010201 IIlIIlqIILIILQ −⋅=−⋅=⇔−⋅=−⋅=
( )0000..,,0..,00 tcrxtciiI vapusapvapusa ⋅+⋅+⋅=+=
( )1111..,,1..,11 tcrxtciiI vapusapvapusa ⋅+⋅+⋅=+=
1010 ; rrxx ==
( ) ( ) ( ) ( )0110101101..,01 863,1006,1 ttxttttcxttcIII vusap −⋅⋅+−⋅=−⋅⋅+−⋅=−=∆
Ecuaţia bilanţului termic (teoretic):
Pentru instalaţia teoretică:
În condiţii teoretice:
ϕ1
pvap
ϕ = 100%
I
..usakg
kJ
x
..usakg
kg
pvap
2
m
N 0
t1
t0
t2
1 ϕ0
2
ϕ2
x0=x1 x2
I0
I1=I2
•Utilizarea diagramei aerului umed I - x:
•Bilanţul termic al instalaţiei de uscare reale:
Se consideră:•Pierderile de căldură în mediul ambiant;•Aportul suplimentar al caloriferului din camera de uscare;•Efectul termic al unor reacţii chimice;•Aportul de căldură necesar topirii umidităţii îngheţate în material;•Încălzirea agentului de uscare în ventilator;•Căldura necesară încălzirii materialului şi instalaţiei de transport.
�Procesul de uscare nu mai este izoentalpic
∆+=∆⇒
kg
kJ
l
qII 1
∆q = cantitatea de căldură pierdută sau primită suplimentar în procesul de uscare, pentru 1kg de umiditate evaporată, în kg/kg.
Ecuaţia bilanţului termic:
ptrtrm
trtrapamsupl
QcMcMIL
cMcWcMILQQ
+⋅⋅+⋅⋅+⋅=
=⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅+⋅++
22,22,222
11,111,200
θθ
θθθ
unde: 1,1111,2 θθθ ⋅⋅=⋅⋅+⋅⋅ umapam cMcWcM
Ipoteze considerate:�S-a presus că materialul şi dispozitivele de transport au aceleaşi temperaturi la intrarea şi respectiv ieşirea din camera de uscare.�Se consideră instalaţia etanşă LLLL ===⇒ 210
Dacă se presupune: trtrtrmmm cccccc ==== 2,1,2,1, ;
( ) ( ) ( )
( ) 1sup02
1sup
1212
2
02
θθ
θθθθ
⋅−−+++−⋅=⋅
⋅−−+
+−⋅⋅
+−⋅⋅
+−⋅==⇒
apalptrm
apalp
trtrm
cqqqqIIlW
cW
W
Q
W
Q
W
cM
W
cMII
W
L
W
Calculul instalaţiilor de uscare convective cu ajutorul diagramei I-x
0000 ,, ϕIxt ⇒
2222 ,, ϕIxt ⇒
a)Instalaţia de uscare teoretică
Pentru trasarea procesului în diagrama I-x este necesarsă se cunoască:
1. Parametrii agentului de uscare la intrarea în instalaţie; exemplu:
2. Unul sau mai mulţi parametri ai agentului de uscare după bateria (caloriferul) de încălzire: în general t1;
3. Unul dintre parametrii agentului de uscare la ieşirea din uscător; exemplu:
•Utilizarea diagramei aerului umed I - x:
ϕ1
ϕ = 100%
I
x
A
t1
t0
t2
B ϕ0
C0
ϕ2
x0=x1 x2T
D
I0
I1=I2
⋅=
−=
kg
kg
kDCxxl
xT 002
11
⋅
⋅=
−
−=
kg
kJ
kDC
kAB
xx
IIq
x
I
T 002
01
b) Instalaţia de uscare reală:Apar cantităţi suplimentare de căldură în camera de uscare:
( ) ( )ptrmapal qqqcqIIlq ++−⋅+=−⋅=∆ 1sup12 θ
t0
ϕ = 100%
I
x
A
t1
t2
B
C0
x0=x1 x2T
D0
I0
I1
E’0
E0
C
C’
x’2x2
I’2
I2
D
=−
>−
=
<
⇒∆
=⋅⇒>∆T
T
T
I lxxxx
l
xx
l
qkECq
0202
22
00 110
=−
<−
=
>
⇒∆
=⋅⇒<∆T
T
T
I lxxxx
l
xx
l
qkECq
0202
22
00 1
'
1
'
'0
( )002
01 >∆
⋅
⋅=
−
−= q
kg
kJ
kCD
kAB
xx
IIq
x
I
Variante ale uscării convective ale materialelora) Instalaţia de uscare cu recirculare
MaterialAgent
încălzire
Ventilator
Calorifer
Ventilator
recirculare
Camera
de uscare
Aer
nou
Aer
recirculat
A
M
C
t0 ϕ = 100%
I
x
A
t’1<t1
t2
B
C0
x0 x2T
D0
I0
I1
C
xa
m
x2
I2
D
t1
B’
M
⋅=
−=
kg
kg
kCDxxl
xamrec
11
2
↓
⋅
⋅=
kg
kJ
kCD
kMBq
x
I'
b) Instalaţia de uscare cu încălzire intermediară a aerului
Material
Agent
încălzire
Ventilator
Calorifere
intermediare
de încălzire
Camera de
uscare
AerMaterial
ϕ = 100%
I
x
A
t’1<t1
t0
t2
B
C0
x0 x2T
C’
I0
I1=I2
x’
D”
t1
B’
D’
B”( )
⋅+=
−+
−=
kg
kg
kDCDCxxxxl
xT "''
1
'
1
'
1
020
( )( )
tr
x
I
qqABBCAB
kg
kJ
kDCDC
kBCABq
1
0
"''
;"''
"''
=⇔=+
⋅+
⋅+=
c) Instalaţia de uscare cu recirculare
Ventilator
MaterialAgent
încălzire Calorifer
Condensat
Camera
de uscare
Aer
Condensator
ϕ = 100%
I
x
At0
t2
B
x0
I0
I1
C
x2
I2
D
t1
F
G
t’0
⋅=
−=
kg
kg
kCDxxl
xrec
11
02
⋅
⋅=
kg
kJ
kCD
kGBq
x
I
d) Instalaţia de uscare cu gaze de ardere în amestec cu aerul
Gaze de
ardere
Material
Ventilator
Camera de
uscare
Aer
rece A
K
C
FOCAR
Combustibil
M
( ) ( ) ( )( ) ( )
( )01
1,
011,
011,
II
IIMM
IIMIIM
IIMIIMM
gaumga
am
amgaumga
amgavapusga
−
−⋅=⇒
⇒−⋅=−⋅⇔
⇔−⋅=−⋅+
ϕ = 100%
I
x
A
t1
t0
t2
B
C0
x0 x2T
I0Iga
C
x1 x2
I2
D
tga
M
K
I1
D0
F
E
x
xTT
kCDxxl
kDCxxl
⋅=
−=<
<⋅
=−
=
11
11
12
0012
x
I
x
I
TT
kCD
kAF
xx
IIq
kDC
kAE
xx
II
x
Iq
⋅
⋅=
−
−=<
<⋅
⋅=
−
−=
∆
∆=
12
02
0012
01
Tipuri de instalaţii de uscare utilizate în industrie
−
;sup
;
;
;
raincalzitabur
arderedegazeaeramestec
arderedegaze
aer
;
;unesuprapresi
;
vidcu
cu
aatmosfericpresiunela
electrice;incalziriicazulincontactprin
ardere;degazecuamestecprin
suprafata;derrecuperatosaurepreincalzicu
1) După regimul de funcţionare: periodic sau continuu;
3) După presiunea de lucru din cameră:
4) După circulaţia agentului de uscare: naturală sau artificială;
2) După tipul agentului de uscare:
5) După modul de încălzire al agentului de uscare:
;
;
;
;
CIF
radiatie
conductie
convectie
;substante
;
;
absorbanteinchimicaabsorbtieprin
umedaeruluivaporiloracondensareprin
uscaredeagentulcutconcomiten
;
;
;
;
;
uscaredetambur
uscaredeturnuri
uscaredetuneluri
uscarededulap
cameratip
.
;
fluidizatstratin
pneumatice
6) După structura materialului supus uscării: solid, în bucăţi, plăci,
pulberi, granule;
8) După modul de evacuare a umidităţii din uscător:
9) După construcţie:
7) După modul de încălzire al materialului:
Instalaţii de uscare prin convecţie
a) Camerele de uscare:
•Sunt instalaţii cu funcţionare periodică cu circulaţie naturală sau forţată a agentului de uscare (aer sau amestec aer/gaze de ardere); Partea lor principală este camera dreptunghiulară, în interiorul căreia se aşează pe vagonete sau alte dispozitive materialul care trebuie uscat şi care rămâne nemişcat în timpul procesului de uscare.•Domeniul de utilizare: uscarea unor cantităţi mici de lemn (scânduri), placaj, industria alimentară şi ceramică;•Temperatura agentului de uscare: 60 - 250 °C;•Consumul de căldură: q = 6 000 -10 000 kJ/kg um.
b) Tunele de uscare:
•Sunt instalaţii cu funcţionare continuă sau semicontinuă; Partea lor principală este o cameră alungită, în interiorul căreia materialul care trebuie uscat se deplasează la intervale de timp bine determinate, în direcţie longitudinală; Deplasarea vagonetelor se face cu un dispozitiv mecanic sau hidraulic, care introduce şi scoate din uscător, după un anumit program, un vagonet; Agentul de uscare circulă în contracurent, având regim de curgere turbulent şi izoterm;
•Domeniul de utilizare: uscarea unor mari cantităţi de materiale;
•Temperatura agentului de uscare: 50 + 130 °C;
•Consumul de căldură: q = 5 000 +8 000 kJ/kg um.
c) Uscătoare cu bandă rulantă (sau cu transportor) :•Sunt instalaţii cu funcţionare continuă; Sunt formate dintr-o cameră în care materialul supus uscării se deplasează pe benzi în direcţii diferite; Ca agent de uscare se utilizează în majoritatea cazurilor aer cald;
•Domeniul de utilizare: bumbac, fire toarse, lână, legume,fructe, chibrituri;
•Temperatura agentului de uscare: 60 + 170 °C;
•Consumul de căldură: q = 5 000 + 7 500 kJ/kg um.;
•Cantitatea de apă eliminată: 50 + 150 kg/m zi;
•Consumul specific de energie electrică: e = 10 kWh/t apă ev.
d) Uscătoare turn:
Sunt instalaţii cu funcţionare continuă; Au un turn vertical în care materialul se deplasează sub acţiunea gravitaţiei; Agentul de uscare pătrunde prin particulele de material. Perioada de uscare de uscare: pentru turnul cu mişcarea liberă a materialului este de câteva secunde, iar pentru turnul cu şicane (mişcare încetinită a materialului) chiar de câteva ore.
•Domeniul de utilizare: uscarea sării, minereului, argilei, cerealelor, cărbuni concasaţi şi alte materiale sub formă de pulberi;
•Consumul de căldură: q = 5 000 + 6 500 kJ/kg um.
e) Uscătoare cu tambur:
•Sunt instalaţii cu funcţionare continuă; Au un tambur (cilindru) orizontal sau înclinat (< 6°), cilindric sau conic, care se roteşte cu o viteză de 0,5 + 8 rot/min;
•Domeniul de utilizare: uscarea materialelor în bucăţi, cărbuni concasaţi, nisip, argilă, piatra de var, minereuri, reziduri industriale de bere şi zahăr;
•Temperatura agentului de uscare (gaze): 600 -650 °C;
•Temperatura materialului: 70 -80 °C;
•Cantitatea de apă eliminată: 50-150 kg/m3 volum tanbur;
•Consumul de căldură: q = 3 500 – 5 000 kJ/kg um.;
•Consumul specific de energie electrică: e = 5 – 7 kWh/t apă evacuată.
f) Uscătoare tubulare:
•Sunt instalaţii cu funcţionare continuă; Au un tambur înclinat care se roteşte şi în care sunt mandrinate ţevi din oţel (100-118 mm), încălzite din exterior cu abur. În aceste ţevi se deplasează materialul ce trebuie uscat;
•Domeniul de utilizare: uscarea cărbunilor şi a materialelor cristalizate (industria chimică);
•Presiunea manometrică a aburului de încălzire: 1,5 + 3 bar; Cantitatea de apă eliminată: 2 - 4,5 kg/m ţeava;
•Consumul de căldură: q = 3 000 - 3 500 kJ/hg um;.
•Consumul specific de energie electrică: e = 5 - 6 kWh/t apă evacuată.
g) Uscătoare pneumatice:
•Sunt instalaţii cu funcţionare continuă; In tubul vertical are loc uscarea materialelor dispersate într-un curent de gaze în mişcare; Se elimină din material numai umiditatea liberă; Viteza agentului de uscare > viteza de plutire a particulelor de material;
•Domeniul de utilizare: uscarea cărbunilor concasaţi, iarbă tăiată şi frunzele legumelor, materiale cristaline;
•Viteza gazelor în tuburile pneumatice: 10 - 40 m/s;
•Durata uscării: 1 – 2 s;
•Consumul de căldură: q = 4 200 + 6 700 kJ/kg um.
h) Uscătoare cu pulverizare:Instalaţii cu funcţionare continuă care se bazează pe pulverizarea materialului lichid (soluţie), cu ajutorul unor injectoare sau discuri (ce se rotesc) montate în camera de lucru.Pentru intensificarea uscării —> suspensia se transformă prin pulverizare într-o ceaţă de picături cu f între 10 şi 150 mm.
Uscare prin pulverizare presupune:- pulverizarea suspensiei;- amestecarea agentului de uscare cu picaturile pulverizate;- schimbul de căldura si de substanţa între ele.
Pulverizarea- pneumatica (aer comprimat);- mecanica (ajutaje);- centrifuga (discuri.)
Domenii de aplicare:- industria alimentară (lapte praf, praf ouă, etc);-industria chimică (răşini, policloruri de vinii, -coloranţi, pigmenţi, etc.)
Schemele de lucru ale instalaţiilor cu pulverizare:- curent paralel (echicurent);- contracurent;curent mixt.
i) Uscătoare cu strat fluidizat:Strat fluidizat = fluidizarea unui strat granulat; granulele sunt puse pe o sită şi sunt aduse în strat fluidizat cu ajutorul unui jet granulele plutesc şi sunt menţinute într-o suspensie continuă
I - strat compact;II - strat umflat;III- regim intermitent;IV- primul stadiu al fluidizării;V - stadiul doi de fluidizare.
Procedee de alimentare şi colectare la uscătoarele cu fluidizare:Domeniul de utilizare: materiale foarte umede granulate, nelipicioase şi neconglomerabile (cărbune, nisip, silicaţi, gips);
Productivitate ridicată : 100 — 300 kg apă/m3h > celelalte uscătoare: 12-30 kg apă/m3h;
q - 3000 - 12000 kJ/ kg apă; e�
Instalaţii de uscare prin contact
a) Uscătoare cu valţuri
• Funcţionare: continuă
• Aplicaţii: uscarea soluţiilor, suspensiilor, etc.;
• Construcţia: unul sau mai multe valturi încălzite la interior.
b) Uscătoare cilindrice•Funcţionare: continuă•Aplicaţii: uscarea materialelor sub formă de benzi (textile,•hârtie, celuloză)•Construcţia: o serie de cilindri rotativi încălziţi, dispuşi•orizontal sau vertical
c) Uscătoare prin contact cu vid•Aplicaţii: uscarea substanţelor sensibile la temperaturi ridicate;•Temperatura de vaporizare a umidităţii din material poate fi redusă corespunzător cu profilul curbei de presiune patială q -l; Aq -l ; Cost T (pompă vid, instalaţie de condensare sub vid).
d) Uscătoare cu încălzire prin radiaţie•se aplică, îndeosebi, în cazul unor straturi superficiale (piesemetalice sau din lemn, hârtie, materiale textile, filmefotografice, etc);•radiaţii infraroşii (λ = 0,76 – 10 µ); •intensitatea de vaporizare creşte de 30 - 70 ori, comparativ cuinstalaţiile prin convecţie sau contact;•uscarea nu începe la suprafaţa liberă, ci la cea de contactdintre corpul de bază şi stratul acoperitor;•pot fi mobile sau fixe;
e) Uscătoare cu CIF•se compune dintr-un generator de înaltă frecvenţă acordat pefrecvenţa de rezonanţă şi se bazează pe proprietăţilemoleculelor de apă de a se repolariza rapid la aplicarea unorCIF;•se utilizează pentru materiale groase (grinzi, scânduri, piesemari ceramice sau de cauciuc);•staturile inferioare mai umede se încălzesc mai repede decâtcele de la suprafaţă, intensificând migrarea umidităţiimaterialului către suprafaţa acestuia (viteza de uscare semăreşte de zeci de ori);•consum mare de energie electrică (2,5 - 4 kWh/kg um.) =>scumpeşte uscarea de 3 - 4 ori, comparativ cu celelalte moduri—> uscarea combinată (CIF + convecţie sau radiaţie).
f) Uscătoare cu sublimare•uscarea produselor în stare îngheţată, fără trecerea prin starealichidă;•pentru apă: punctul triplu (t=0,0089 °C, p=609 Pa) —>încălzirea umidităţii solide la o presiune constantă inferioarăpunctului triplu —> trecerea umidităţii direct în starea gazoasă;•conservă proprietăţile biologice ale produselor supuse uscării—> industria chimică, farmaceutică, biochimică, alimentară.