Kinetyka procesu suszenia w suszarce bębnowej

1. Wprowadzenie:

Suszarki bębnowe obok suszarek komorowych są najbardziej rozpowszechnione w praktyce przemysłowej. Stanowią one jedną z pierwszych konstrukcji aparatów suszarniczych o działaniu ciągłym, wprowadzonych do przemysłu. Dzięki wszechstronności, prostocie konstrukcji, dużej przepustowości i stosunkowo dobrej sprawności cieplnej suszarki bębnowe nadają się do szybkiego suszenia wielu materiałów przy niskich kosztach jednostkowych dla dużych partii materiału. Mogą one pracować w zakresie czasów suszenia od 5 do 60 min, ich przepustowość waha się od kilkuset kilogramów do kilkuset ton na godzinę.

Materiał suszony jest w sposób ciągły unoszony przez obrót bębna, a następnie opada w strumieniu gorącego czynnika suszącego, który przepływa przez bęben w współ- lub przeciwprądzie w stosunku do materiału. Bęben jest lekko pochylony, tak że materiał stopniowo przesuwa się wzdłuż suszarki.

2. Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie wysokości (długości) jednostkowej wnikania ciepła Hp oraz liczby jednostek wnikania ciepła Np w suszarce bębnowej.

3. Aparatura:

1- zbiornik surowca

2- podajnik wibracyjny

3- bęben

4- zbiornik produktu

5- nagrzewnica

6- wentylator

4. Metodyka pomiarów:

a) uruchomić wentylator, włączyć nagrzewnicę, ustawić za pomocą zasuwy odpowiednie natężenie przepływu,

b) przygotować mokre ziarno przez zmieszanie suchego rzepaku z wodą w ilości podanej przez prowadzącego,

c) po ustaleniu się temperatury wlotowej i wylotowej powietrza uruchomić podajnik surowca i wsypać do niego powoli mokre ziarno,

d) po ustaleniu się temperatury wylotowej powietrza odczytać temperatury powietrza na wlocie i wylocie z aparatu ( w przypadku wylotu odczytać także temperaturę termometru mokrego),

e) punkty b) c) i d) powtórzyć dla kilku natężeń przepływu powietrza,

5. Oznaczenia:

dr - średnica rury [m]

dzw - średnica zwężki [m]

t1 - temperatura na wlocie [۫C]

t2 - temperatura na wylocie [۫C]

t3 - temperatura minimalna [۫C]

t4 - temperatura mokrego termometru [۫C]

T1 - temperatura na wlocie [K]

T2 - temperatura na wylocie [K]

T3 - temperatura minimalna [K]

T4 - temperatura mokrego termometru [K]

Tp - temperatura powietrza [K]

L - długość bębna [m]

Db - średnica bębna [m]

∆h - przeliczone wskazanie mikromanometru [m]

Cp - ciepło właściwe powietrza [J/(kg*K)]

Qs - strumień ciepła strat [W]

Qc - strumień ciepła całkowity [W]

Qsusz - strumień ciepła suszenia [W]

mp - masowe natężenie przepływu powietrza [kg/s]

αv - całkowity, objętościowy współczynnik wnikania ciepła [W/(m³­­*K)]

V - objętość bębna suszarki [m³]

∆Tm - średnia logarytmiczna różnica temperatur [T]

Ar - pole powierzchni przekroju rurociągu [m²]

wr - prędkość lokalna [m/s]

α - współczynnik przepływu zwężki

∆p - spadek ciśnienia [Pa]

δ_p- gęstość powietrza [kg/m³]

δ_H2O - gęstość wody [kg/m³]

g - przyciąganie ziemskie [m/s²]

Hp - wysokość jednostkowa wnikania ciepła [m]

Np - liczba jednostek wnikania ciepła

mq - średnia prędkość masowa powietrza, [kg/(m²*s)]

As - pole powierzchni suszarki [m²]

6. Wyniki pomiarów:

Nr pomiar	t1 [۫C]	t2 [۫C]	t3 [۫C]	t4 [۫C]	∆h [m H2O]
1	60,0	57,5	54,5	28,0	0,185
2	61,0	59,0	57,0	30,0	0,155
3	68,0	64,0	62,0	32,0	0,125

6.1 Wartości konieczne do obliczeń:

dr = 0,081 [m]		Db = 0,21 [m]		L = 1,2 [m]		g = 9,81 [m/s^2]
δp=1,2 [kg/m^3]	δH2O = 1000 [kg/m^3]		π ≈3,14		Tp = 293,15 [K]		α = 0,62

7. Obliczenia:

1. Obliczenie Np - liczby jednostek wnikania ciepła, według wzoru: Np = ln[(T1-T4)/(T2-T4)]

Np= ln[(333,15-301,2)/(330,65-301,2)]= ln[31,95/29,45]= 0,0814

2. Obliczenie Hp - wysokośći jednostkowej wnikania ciepła [m], według wzoru: Hp = (mq*Cp)/αv

Hp= (0,007286*1073,30)/ 536,79= 0,01456

[({kg/(m²*s)}*{J/(kg*K)}) / {W/(m³­­*K)}= J/s*{m/(J/s)}= m]

3. Obliczenie mq - średniej prędkości masowej powietrza, [kg/(m²*s)], według wzoru: mq = mp/As

mq= 0,2106*0,0346= 0,007286

[(kg/s)/m² =kg/(m²*s)]

4. Obliczenie As - pola powierzchni suszarki [m²], według wzoru: As = (π*Db²)/4

As= [3,14*(0,21)²]/4= 0,0346

5. Obliczenie mp - masowego natężenia przepływu powietrza [kg/s], według wzoru: mp = wr*Ar*δ_p

mp= 30,08*0,00515*1,2= 0,2106

[m/s * m² * kg/m³ =kg/s]

6. Obliczenie Ar - pola powierzchni przekroju rurociągu [m²], według wzoru: Ar = (π*dr²)/4

Ar= [3,14*(0,081)²]/4= 0,00515

7. Obliczenie wr - prędkości lokalnej [m/s], według wzoru: wr = α*[(2*∆p)/δ_p]^1/2

wr= 0,62*[(2*1812,67)/1,2]­­^1/2= 0,62*54,96= 34,08

[{Pa / (kg/m³)}^1/2 = {(kg / m*s²) * (m³ / kg)}^1/2=(m²/s²)^1/2= m/s]

8. Obliczenie ∆p - spadku ciśnienia [Pa], według wzoru: ∆p = ∆h*(δH2O- δp)*g

∆p= 0,185*(1000-1,2)*9,81= 1812,67

[m * kg/m³ * m/s² = kg / m*s² => (m*kg / m²*s²)= N/m² = Pa]

9. Obliczenie αv - całkowitego, objętościowego współczynnik wnikania ciepła [W/(m³­­*K)], według wzoru:

Qsusz = αv*V*∆Tm αv = Qsusz/(V*∆Tm)

αv= 678,11/(0,04152*30,4253)= 536,79

10. Obliczenie V - objętości bębna suszarki [m³], według wzoru: V = L*As

V= 1,2*0,0346= 0,04152

11. Obliczenie ∆Tm - średniej logarytmicznej różnicy temperatur [K], według wzoru:

∆Tm = (T2-T3)/ln[(T1-T4)/(T1-T2+T3-T4)]

∆Tm= (330,65-327,65)/ln[333,15-301,2)/(333,15-330,65+327,65-301,2)]= 3/ln(31,95/28,95)= 30,4253

12. Obliczenie Qsusz - strumienia ciepła suszenia [W], według wzoru: Qsusz = Qc-Qs

Qsusz= 1243,20-565,09= 678,11

13. Obliczenie Qc - całkowitego strumienia ciepła [W], według wzoru: Qc = mp*Cp*(T1-T3)

Qc= 0,2106*1073,30*(333,15-327,65)= 1243,20

[(kg/s)*{J/(kg*K)}*K= J/s= W]

14. Obliczenie Qs - strumienia ciepła strat [W], według wzoru: Qs = mp*Cp*(T1-T2)

Qs= 0,2106*1073,30*(333,15-330,65)= 565,09

[(kg/s)*{J/(kg*K)}*K= J/s= W]

15. Obliczenie Cp - ciepła właściwego powietrza [J/(kg*K)], według wzoru: Cp = (0,233*Tp)+1005

Cp= (0,233*293,15)+1005= 1073,30

8. Stabelaryzowane pomiary i obliczenia:

nr	T1 [K]	T2 [K]	T3 [K]	T4 [K]
1	333,15	330,65	327,65	301,2
2	334,15	332,15	330,15	303,2
3	341,15	337,15	335,15	305,2

Cp	V	Ar	As
1073,30	0,04152	0,00515	0,0346

nr	∆p	wr	mp	Qs	Qc	Qsusz	∆Tm	αv	mq	Hp	Np.
1	1812,67	34,08	0,211	565,09	1243,20	678,11	30,4253	536,79	0,00729	0,01456	0,0814
2	1518,73	31,19	0,193	413,80	827,61	413,80	29,9889	332,34	0,006670	0,02154	0,0667
3	1224,78	28,01	0,173	743,21	1114,82	371,61	34,9905	255,79	0,005990	0,02513	0,1178

9. Wnioski:

Ilość ciepła zużytego do suszenia ziarna w kolejnych pomiarach zmniejszyło się, a związane jest to ze zmniejszeniem się wilgotności ziarna i nieznacznym obniżeniem temperatury na wlocie i wylocie suszarki, zaś temperatura na termometrze mokrym praktycznie nie uległa zmianie. Liczba jednostek wnikania ciepła obniżyła się a wysokość jednostkowa wnikania ciepła wzrosła. Temperatury miały również wpływ na masowe natężenie przepływu i średnią prędkość masową powietrza.

1

---