2.3 Топочные газы

Топочные газы в смеси с атмосферным воздухом широко используются для сушки различных материалов.

Преимущество сушки топочными газами:

- возможность получения высоких температур;

- простота топочных устройств;

- возможность непосредственного применения отработанных газов печей, котельных и других устройств.

Недостатки сушки топочными газами:

- возможность попадания на высушиваемый материал сажи и капель несгоревшего жидкого топлива;

- наличие в газах вредных сернистых соединений, что может вредно повлиять на качество высушиваемого материала и выбор средств контроля, установленных непосредственно в камере сушки, а так же возникновения пожаров в газоходах и пылеулавливающей аппаратуре при догорании угольной пыли или капель жидкого топлива.

Топочные газы получают при сжигании газообразного, жидкого (мазут, нефть) или твердого (уголь, торф) топлива в топках и смешивают их в специальных камерах (камерах смешения) с атмосферным воздухом для получения смеси определенной температуры.

Топочные (дымовые) газы состоят из кислорода, азота, окиси и двуокиси углерода, сернистого газа и водяных паров. Состав топочных газов зависит от количества воздуха, подводимого в топку для сжигания топлива (первичный воздух) и подмешиваемого к продуктам сгорания для понижения их температуры до заданной (вторичный воздух).

2.4 Виды сушильных установок

Сушильные установки классифицируют по различным признакам. По принципу действия сушилки подразделяют на непрерывно- и периодического действующие, в зависимости от давления в аппарате сушилки могут быть атмосферные и вакуумные, по способу подвода тепла конвективные, радиационные, контактные и комбинированные. В свою очередь конвективные сушилки подразделяют по виду газового теплоносителя:

- нагретым воздухом;

- топочными газами;

- инертными газами;

- перегретыми парами воды;

Сушка кирпича-сырца производится в трех видах сушил:

- туннельных. Высушиваемый материал с помощью транспортирующего устройства перемещается вдоль туннеля с периодическими остановками. Передвигаясь от загрузочного сечения к выходному, материал соприкасается с агентом сушки. Отличительная особенность таких сушилок- неподвижность частиц материала во время сушки. Длительность сушки и качество высушенного материала зависит от способа подачи сушильного агента. Свежий агент сушки подают снизу через распределительное окно или сбоку с двух сторон по всей высоте камеры. Для более равномерного распределения агента сушки его боковая подача (или отсос) производятся через решетки или регулируемые лопатки. Обычно забор агента сушки происходит через окно в верхнем или нижнем перекрытии камеры. Скорость газов принимают такой, чтобы не происходило пыления материала, опрокидывания или поворачивания изделий, но не менее 1,0…1,5 м/сек (на полное сечение туннеля) для обеспечения равномерного распределения газов и соответственно сушки материала. Простая схема туннельной сушилки изображена на рисунке 2.4.

1. вход влажного материала; 2- вход агента сушки; 3- вагонетки; 4- механизм передвижения вагонеток; 5- траверсная тележка; 6- выход отработанной смеси; 7- раздвижные двери; 8- выход высушенного материала.

Рисунок 2.4- Туннельная сушилка

Кроме различий по конструкции сушилки различаются:

- по направлению движения теплоносителя относительно высушиваемых изделий одностороннее, реверсивное, движение с прямотоком и противотоком;

- по способу подвода и отвода теплоносителя- сосредоточенный и распределительный;

- по кратности использования теплоносителя- с однократной и многократной циркуляцией газов;

- по методу подогрева теплоносителя- с центральным и местным теплоносителем.

В качестве агента сушки принимаются:

- при туннельных печах, работающих на природном газе - горячий воздух из зоны охлаждения, межсводного пространства и отходящие дымовые газы, не засоренные сернистыми включениями и продуктами горения выгорающих добавок;

- при туннельных печах, работающих на жидком или твердом топливе - горячий воздух из зон охлаждения печей, межсводного пространства, горячий воздух из паровых калориферов, теплогенераторов и др.источников, обеспечивающих сушку без примесей продуктов горения. При этом отходящие газы печей выбрасываются в атмосферу. В этом случае возможна запрессовка топлива и других топливосодержащих добавок в шихту.

2.5 Тепловой баланс сушилки

При сушке влажных материалов происходят одновременно два процесса:

- испарение влаги (массообмен);

- перенос тепла (теплообмен).

Проблема сушки влажных материалов включает вопросы переноса тепла и массы внутри тела (внутренняя задача) и в пограничном слое на границе раздела фаз (внешняя задача). Результирующая интенсивность сушки зависит от условий переноса тепла внутри и на границе раздела фаз.

Для составления теплового баланса сушилки воспользуемся общей схемой, приведенной на рисунке 2.5.

I₀, I₁, I₂-энтальпия воздуха, х₀, х₁, х₂-влагосодержание сушильного агента; φ₁, φ₂, φ₃- относительная влажность сушильного агента; t₁, t₂, t₃-температура сушильного агента; L- расход сушильного агента.

Рисунок 2.5- Принципиальная схема основного варианта сушки

Пусть на сушку поступает G₁ кг/ч исходного материала, имеющего температуру Θ₁ ⁰С. В сушилке из материала испаряется влага W кг/ч и из сушилки удаляется G₂ кг/ч высушенного материала при температуре Θ₂ ⁰С, с удельной теплоемкостью высушенного материала с_м Дж/(кг*град) и теплоемкость влаги с_в Дж/(кг*град) (для воды с_в= 4,19 Дж/(кг*град)).

В сушилку подается влажный воздух (сушильный агент), содержащий L кг/ч абсолютно сухого воздуха. Перед калорифером воздух имеет энтальпию I₀ Дж/кг сухого воздуха; после нагрева, т. е на входе в сушилку энтальпия воздуха повышается до I₁ Дж/кг. В процессе сушки в результате передачи тепла материалу, поглощения испаряющейся из материала влаги и потерь тепла в окружающую среду энтальпия воздуха изменяется и на выходе из сушилки энтальпия отработанного воздуха равна I₂ Дж/кг сухого воздуха.

При составлении теплового баланса следует учитывать, что в сушилке есть транспортные средства, на которых находится высушиваемый материал, а именно вагонетки. Пусть масса этих устройств G_т кг, удельная теплоемкость их материала с_т Дж/(кг*град), температура на входе в сушилку t_т.н. ⁰С. В сушилке температура транспортных средств возрастает и достигает t_т.к. ⁰С на выходе из сушилки.

В таблице 2.1 показаны обозначения применяемые для составления теплового баланса сушилки.

Таблица 2.1- Приход и расход тепла с учетом потерь в окружающую среду

Описание	Обозначения
1	2
Приход тепла
С наружным воздухом	LI0
С влажным материалом c высушенным материалом с влагой, испаряемой из материала	G2cMΘ1 WcвΘ1
С транспортным устройством	Gтcтtт.н.
В основном калорифере К1	Qк
Расход тепла
С отработанным воздухом	LI2

Продолжение таблицы 2.1

1	2
С высушенным материалом	G2cMΘ2
С транспортными устройствами	Gтcтtт.к.
Потери тепла в окружающую среду	Qп

При установившемся режиме сушки тепловой баланс выражается равенством

(2.1)

Из уравнения можно определить общий расход тепла на сушку:

(2.2)

Разделив обе части полученного выражения на W, получим выражение для удельного расхода тепла (на 1 кг испарившейся влаги):

(2.3)

где - количество тепла (с учетом всех видов его прихода и расхода), приходящегося на 1 кг испарившейся влаги;

- удельный расход тепла на нагрев высушенного материала;

- удельный расход тепла на нагрев транспортных устройств;

- энтальпия 1 кг влаги, поступающей в сушилку и испаряемой из материала;

- удельные потери тепла сушилкой в окружающую среду.

Удельный расход тепла во внешнем калорифере можно представить в виде:

(2.4)

Подставляя формулу (2.4) в (2.3), находим

(2.5)

или

(2.6)

Обозначив правую часть уравнения

(2.7)

запишем его в следующей форме

(2.9)

Входящая в уравнение величина Δ выражает разность между приходом и расходом тепла непосредственно в камере сушки, без учета тепла, приносимого воздухом, нагретым во внешнем калорифере. Величина Δ называется внутренним балансом сушильной камеры.

2.6 Структурная схема сушильной камеры

Математическая модель для управления температурой подаваемого сушильного агента состоит из двух ступеней:

1. Ступень управляет промышленной горелкой. На входе в сушильную камеру стоит датчик температуры, в зависимости от которого работает промышленная горелка. На рисунке 2.6 показана структурная схема управления по температурному каналу.

Θ_вх- температура сушильного агента на входе в горелку; μ-воздествие, оказываемое на горелку; Θ_гор-температура сушильного агента на выходе горелки

Рисунок 2.6 –Структурная схема управления промышленной горелкой

2. Ступень управляет жалюзьми для подачи холодного воздуха в целях понижения температуры сушильного агента.

Θ_вх.ж- температура сушильного агента при прохождении его через жалюзи; μ₁-воздествие, оказываемое на жалюзи; Θ_вых-температура сушильного агента после прохождения через жалюзи, перед прохождением через промышленную горелку

Рисунок 2.7 –Структурная схема управления жалюзьми

При объединении этих двух ступеней получим следующую структурную схему управления, показанную на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8 –Структурная схема управления температурой сушильного агента

2.7 Математическая модель

При составлении математической модели процесса сушки будем наносить возмущающие воздействия на объект управления, а именно изменять температуру теплоносителя за счет управления двумя исполнительными механизмами: промышленными жалюзьми, для понижения температуры сушильного агента, и промышленной горелкой, для повышения температуры сушильного агента.

Для построения графика изменения температур сушильного агента воспользуемся данными, полученными на заводе. Измерение температуры сушильного агента производились каждые 1,5 часа, общая продолжительность сушки кирпича-сырцы составляет 50 часов. Полученные значения занесем в таблицу 2.2.

Таблица 2.2.- Изменение температуры сушильного агента в процессе сушки

Шаг	Время сушки, час: мин	Нижняя граница температура сушильного агента, 0С	Номинальное значение температура сушильного агента, 0С	Верхняя граница температура сушильного агента, 0С
1	2	3	4	5
1	0:10	+20,0	+30,0	+40,0
2	1:10	+23,0	+33,0	+43,0
3	2:40	+27,0	+37,0	+47,0
4	4:10	+32,0	+42,0	+52,0
5	5:40	+37,0	+47,0	+57,0
6	7:10	+41,0	+51,0	+61,0
7	8:40	+45,0	+55,0	+65,0
8	10:40	+50,0	+60,0	+70,0
9	12:40	+53,0	+63,0	+73,0
10	14:40	+57,0	+67,0	+77,0

Продолжение таблицы 2.2

1	2	3	4	5
11	16:40	+62,0	+72,0	+82,0
12	19:00	+67,0	+77,0	+87,0
13	21:20	+72,0	+82,0	+92,0
14	23:40	+78,0	+88,0	+98,0
15	26:00	+85,0	+95,0	+105,0
16	28:30	+95,0	+105,0	+115,0
17	31:10	+105,0	+115,0	+125,0
18	34:00	+110,0	+120,0	+130,0
19	36:50	+115,0	+125,0	+135,0
20	39:40	+120,5	+130,0	+140,0
21	42:30	+125,0	+135,0	+145,0
22	45:20	+130,0	+140,0	+150,0
23	48:10	+130,0	+140,0	+150,0
24	50:00	+130,0	+140,0	+150,0

По данным таблицы 2.2 построим график изменения температуры сушильного агента на протяжении всего процесса сушки.

Рисунок 2.9- График изменения температуры сушильного агента в процессе сушки кирпича-сырца

Получим кривые разгона изменения температуры сушильного агента при управлении промышленными жалюзьми и горелкой.