АНАЛИЗ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ВЛАЖНЫХ
ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ РАСЧЕТА СУШИЛОК С АКТИВНОЙ ГИДРОДИНАМИКОЙ
Сажин
В.Б.
Директор
Доктор технических
наук, профессор, академик
Российский
инвестиционно-инновационный фонд «Научная
Перспектива»
Россия, г. Москва
Сажин Б.С.
Советник
Доктор технических наук, профессор, академик
Российский инвестиционно-инновационный
фонд «Научная Перспектива»
Россия, г. Москва
Аннотация. Анализ отечественного промышленного
сушильного оборудования показал ориентацию на иностранного производителя, что
существенно увеличивает производственные затраты и снижет
конкурентоспособность. Авторами предлагается стратегия переориентации на
отечественное оборудование более эффективное, экономичное и доступное. Проведён анализ зависимости эффективной
теплопроводности от температуры и влажности высушиваемого материала для
повышения точности инженерного расчёта сушилок с активными гидродинамическими
режимами.
Ключевые слова: сушка, дисперсные материалы,
гидродинамика, энерго-ресурсосбережение
Аппараты с активной гидродинамикой
находят всевозрастающее применение в промышленности в силу высокой
эффективности технологического процесса при одновременном
энерго-ресурсосбережении. Основная проблема в том,
что производственники при кооперации с внедренческими организациями не всегда
имеют возможность экспертной оценки предлагаемых технических решений. Так например, предлагаемые иностранными партнерами аппараты
(часто при посредничестве авторитетных внедренческих организаций) показывают
большую эффективность по сравнению с отечественными аналогами. Причина – в
несовершенном уровне технической обработки рабочих поверхностей у отечественных
производителей. Наблюдавшийся одно время существенный рост числа
проектно-конструкторских и внедренческих организаций, выпускавших качественную
аппаратуру, успешно конкурирующую с иностранными производителями, был парирован
ценовым демпингом зарубежных фирм (имеющих, в отличие от российских
конкурентов, возможность опираться на долгосрочное кредитование под невысокие проценты).
В результате отечественные обладатели дешевой и качественной зарубежной
аппаратуры по истечении договорных обязательств продавца
ставились перед необходимостью приобретения расходных материалов и запасных
частей по высоким ценам. В результате за гарантированный поставщиком период
технологической эксплуатации купленной
аппаратуры (до 15 лет) предприятие-покупатель несло расходы (в приведённых
ценах) в 10-15 раз превышающие стоимость купленного оборудования. Поиски
альтернативных поставщиков комплектующих и запасных деталей были безуспешными
по двум обстоятельствам. Во-первых, поставляемое оборудование было устаревшим
(технологическое совершенство обработки рабочих поверхностей повышает
эффективность работы даже при неудачной конструкции) и выпускалось немногими. Во-вторых у потенциальных поставщиков был установлен паритет высоких отпускных цен.
Использование узлов отечественных производителей приводило к снижению общей
эффективности зарубежной аппаратуры.
Введённое
нами в мировую научную практику новое понятие «активная гидродинамика»
(активные гидродинамические режимы) многими воспринималось как режимы с
высокими скоростями межфазного контакта. Мы доказали, что высокие скорости
взаимодействующих фаз часто бывают неэффективны и даже вредны, если они не
увязаны со свойствами материала как объекта сушки и не соответствуют технологической задаче.
Так, скажем, для тонкопористых материалов со связанной влагой гидродинамический
режим пневмотранспорта с грандиозными межфазовыми скоростями (реализованный в трубе-сушилке)
будет не только не активной (неэффективной), но даже вредной (в смысле
бессмысленного расхода энергии и порчи обрабатываемого материала) [1, 544; 2,
776; 3, 506; 4, 448].
Нами с
учениками и коллегами разработана стратегия экспресс-выбора оптимальных гидродинамических режимов
и реализующих их аппаратов для любого дисперсного материала на основе его
анализа как объекта сушки. Причём, рекомендуемое (на основе авторской
стратегии) оборудование настолько эффективно, что даже при несовершенстве
отечественного изготовления существенно превосходит зарубежное по основным
характеристикам. Следует подчеркнуть, что в рамках стратегии выбор
осуществляется из имеющегося отечественного оборудования, прежде выпускаемого
серийно, включая оборудование, разработанное авторами с сотрудниками и
учениками [1, 544; 3, 506; 5, 297; 6, 617; 7, 336].
Разработанная
нами базовая классификационная таблица материалов как объектов сушки учитывает
характер технологической задачи (по величине критерия Био)
и впервые устанавливает соответствие классификации влажных материалов с
классификацией пор по размерам. Разработанная нами классификация материалов как
объектов сушки позволяет по положению материала в классификационной таблице
определить продолжительность сушки материала во взвешенном слое, а,
следовательно, идентифицировать эффективный гидродинамический режим и выбрать
рациональную сушилку из числа типовых [1, 544; 3, 506; 6, 617; 7, 336; 8, 324].
Типовые
сушилки отобраны из большого массива технических разработок
с использованием разработанного нами метода оценки совершенства сушилок по
величине эксергетического КПД, с учетом их реальных
технико-экономических показателей, результатов промышленной эксплуатации и др.
Каждая из них прошла комплексный анализ и исследование в лабораторных и опытных
условиях, в результате которых некоторые сушилки (широко распространённые, но
не отвечающие строгим критериям отбора) не попали в список для окончательной
рекомендации (сушилки с классическим кипящим и фонтанирующим слоем,
двухкамерные вихревые сушилки, прямоточные безуносные
сушилки с закрученными потоками) [5, 297; 6, 617].
Базовая
классификационная таблица содержит 6 классов влажных дисперсных материалов,
расположенных по мере усложнения технологической задачи по сушке. Положение материала в таблице определяется двумя базовым
показателями: критическим диаметром пор (или диаметром наименьших пор, из
которых в рамках технологической задачи необходимо удалить влагу) и величиной адгезионно-аутогезионного коэффициента (характеризующего
способность к образованию агрегатов - комкованию),
которые получают (наряду с теплофизическими характеристиками) в результате
комплексного анализа материалов как объектов сушки [4, 448; 6, 617].
Для выполнения тепловых расчетов
сушильных аппаратов необходимо знать
теплофизические характеристики (теплоемкость с, теплопроводность l и температуропроводность
a) высушиваемых
материалов, от которых зависит выбор рационального метода и режима сушки
материала. Так, решение вопроса о возможности применения для сушки конкретного
продукта аппаратов с активными гидродинамическими режимами зависит не только от
диффузионного сопротивления, определяемого внутренней пористой структурой
материала, но и от его способности воспринимать необходимое для сушки
количество тепла. Тепловые характеристики необходимо знать также при обработке
результатов экспериментальных исследований процессов тепло-
и массообмена, определении механизма переноса тепла
во влажном материале, анализе форм и видов связи влаги с материалом и т.д.
Кривые,
отражающие зависимость эффективной теплопроводности исследуемых материалов от
температуры приведены на рисунках 1 и 2. Закономерность изменения
теплопроводности от температуры для различных веществ имеет сходный характер.
При малых влагосодержаниях и температурах до 100°
наблюдается слабое монотонное увеличение теплопроводности. При температурах
выше 100°С рост эффективной теплопроводности
ускоряется вследствие возрастания доли лучистого теплообмена и передачи тепла
паром.
Особенно резкое увеличение теплопроводности
для мономера М-2 при температурах выше 130° объясняется тем, что при этой
температуре вещество начинает разлагаться, отщепляя химически связанную влагу
[6, 617].
Рис. 1.
Зависимость эффективной теплопроводности мономера М-2 от температуры при
различных влажностях: О – 0%; ð – 5%; D – 10%; x – 15%, ^ – 20%;
+ – 30%
При
влажностях более 10% при низких (до 100°С) температурах характер кривых
остается примерно тем же, но при 100°С наблюдается
понижение теплопроводности, тем более резкое, чем выше влагосодержание
материала. И, если при влажностях порядка 20% это понижение проявляется,
скорее всего, как тенденция, то при влажности 30% в точке 100°С
наблюдается резкий излом, и теплопроводность понижается почти до
первоначальной.
Такой
характер кривых объясняется тем, что при 100°С
несвязанная и слабо связанная влага резко превращаются в пар с теплопроводностью
ниже, чем её значения для жидкости и твердого скелета материала. И, хотя
перенос тепла с паром увеличивается, однако, ввиду небольших температурных
градиентов и небольшой длительности измерения, на перенос тепла, в первую
очередь, оказывает влияние эффект "обезвоживания" материала,
понижающий общую теплопроводность.
В
дальнейшем теплопроводность материала опять начинает повышаться, но уже
вследствие доли теплового излучения и переноса тепла с паром. Ввиду
непостоянства влияющих на теплообмен факторов, в этой области температур
наблюдается значительный разброс точек и плохая воспроизводимость результатов.
Таким
образом, характер изменения теплопроводности при нагревании выше 100° различен
для материалов с низкой и высокой влажностью. Причина этого явления заключается
в том, что для материалов с малой влажностью перенос тепла с паром выступает в
роли аддитивного фактора, так как структура материала при нагревании выше
температуры кипения не меняется.
Рис. 2. Зависимость эффективной теплопроводности дисперсных
материалов различной влажности от температуры: а – ИФК (изофталевая
кислота); б – ТФК (терефталевая кислота);
в – НТКК (нафталинтетракарбоновая кислота); г – М-44 (мономер 44).
В то же
время для высоковлажных материалов аддитивность теплопереноса при нагревании выше температуры
кипения не соблюдается, так как в результате вскипания большого количества
распределенной жидкости структура материала существенно изменяется; приближаясь
к структуре сухого материала, обладающей меньшей теплопроводностью.
Как видно
из рисунков, резкое падение эффективной теплопроводности при нагревании выше
100° наблюдается для материалов с влажностью, превышающей 20%. Однако, как
доказали гигрометрические исследования, максимально гигроскопическое содержание
влаги в Мономере М-2 не превышает 13%, но резкое падение теплопроводности выше
100° при такой влажности не наблюдается.
Для
всех исследованных материалов общее содержание адсорбционной, химически
связанной и капиллярной влаги не превышает 20%. При такой влажности наблюдается
незначительное снижение теплопроводности при температуре выше 100°.
Следовательно, резкое падение теплопроводности высоковлажных
материалов происходит в результате вскипания поверхностной влаги и ухудшения
теплового контакта между частицами.
Список использованной
литературы:
1.
Сажин, В.Б. Научные основы стратегии выбора
эффективного сушильного оборудования /В.Б. Сажин, Б.С. Сажин
[Текст]. М.: Химия, 2013,
544 с., ил.
2.
Сажин,
Б.С. Научные основы термовлажностной обработки
дисперсных и рулонных материалов / Б.С. Сажин, В.Б. Сажин. М.: Химия, 2012, 776 с., ил.
3. B.
Sazhin and V. Sazhin
Scientific Principles of Drying Technology[Текст, англ.]
/New York-Connecticut (USA)-Wallingford (U.K.): Begell
House Inc.-2007.-506 PP.
4. Сажин, Б.С. Научные основы техники
сушки/Б.С. Сажин, В.Б. Сажин [Текст]. М.: Наука, 1997, 448 с.
5. Сажин, Б.С. Эксергетический
анализ работы промышленных установок/Б.С. Сажин, А.П. Булеков,
В.Б. Сажин [Текст]. – М.: Изд-во МТИ. 2000. - 297 с.
6. Сажин В.Б. Научные основы техники
сушки дисперсных материалов при эффективных гидродинамических режимах
взвешенного слоя. Дисс… доктора техн
наук [Текст]. М., РХТУ ми. Менделеева, 2000. Т. 1 – 617 с., Т. 2 – 203 с.
7. Сажин, В.Б. Выбор и расчёт аппаратов
с взвешенным слоем /В.Б. Сажин, М.Б. Сажина [Текст]. М.: РосЗИТЛП.
2001. - 336 с.
8. Сажин, В.Б. / В.Б. Сажин, М.Б.
Сажина. Сушка в закрученных потоках: теория, расчёт, технические решения
[Текст]. М.: РосЗИТЛП.
2001. - 324 с.
Сведения об авторах:
Сажин Виктор Борисович – академик, доктор технических наук,
профессор, лауреат премии Президента РФ, заслуженный деятель науки РФ, заслуженный
инженер РФ, вице-президент Российской молодёжной академии наук, директор
Российского инвестиционно-инновационного Фонда
«Научная Перспектива».
Сажин Борис Степанович – академик, доктор технических наук,
профессор, трижды лауреат госпремий СССР и РФ,
заслуженный деятель науки и техники РСФСР, заслуженный инженер РФ, заслуженный
изобретатель РФ, почётный доктор и профессор ряда европейских
университетов, советник Российского
Фонда «Научная Перспектива», e-mail:
sazhin@muctr.ru
ANALYSIS OF THERMAL CONDUCTIVITY OF WET DISPERSED
MATERIALS FOR CALCULATING DRYERS WITH ACTIVE HYDRODYNAMICS
Sazhin
V.B.
Sazhin
B.S.
Abstract. An analysis of domestic industrial drying equipment
showed a focus on a foreign manufacturer, which significantly increases
production costs and reduces competitiveness. The authors propose a strategy of
reorienting to domestic equipment more efficient, economical and affordable. The analysis of the dependence of the effective thermal
conductivity on the temperature and humidity of the dried material to increase
the accuracy of the engineering calculation of dryers with active hydrodynamic
modes.
Keywords: drying,
dispersed materials, hydrodynamics, energy and resource conservation.
References:
1. Sazhin VB, Sazhin
BS Scientific basis for the choice of strategies effective drying equipment.
M.: Chemistry, 2013. - 544 pp.
2. Sazhin BS, Sazhin
VB Scientific basis for hydrothermal processing dispersed and rolled materials.
M .: Chemistry, 2012, 776 pp.
3. B. Sazhin
and V. Sazhin Scientific Principles of Drying
Technology / New York -Connecticut-Wallingford (U.K.): Begell
House Inc.-2007. - 506 PP.
4. Sazhin BS Sazhin
VB Scientific basis for the drying technology. - Moscow: Nauka.
1997. - 448 p.
5. Sazhin BS, Bulekov
AP, Sazhin VB Exergic
analysis of industrial plants. - M.: Publishing House of MIT. 2000. - 297 pp.
6. Sazhin VB Scientific bases of
technology of drying particulate materials with effective hydrodynamic regimes
weighted layer. Dissertation of the doctor of technical sciences. M. RCTU,
2000. Vol. 1 – 617 pp., Vol. 2 – 203 pp.
7. Sazhin VB Selection and
calculation of devices with suspended bed / VB Sazhin,
MB Sazhin. M .: RosZITLP. 2001. - 336 pp.
8. Sazhin VB Drying in swirling
flows: theory, calculation, technical solutions / VB Sazhin,
MB Sazhin. M.: RosZITLP.
2001. – 324 pp.