INSTALATII DE USCARE

INSTALATII DE USCARE

In multe ramuri industriale, pentru imbunatatirea calitatii materialelor, in scopul maririi posibilitatii lor de utilizare, este necesara micsorarea umiditatii acestora. Indepartarea umiditatii din materiale se poate face pe cale mecanica, chimica sau termica.

Definitie   

Uscarea este procesul termic prin care materialele isi micsoreaza umiditatea prin evaporarea acesteia. Ea se face atat pe cale naturala cat si pe cale artificiala.

Uscarea naturala se realizeaza la aer in spatii speciale, fara circulatie artificiala sau incalzirea agentului de uscare (aerului). Prezinta avantajul unui cost mai redus, insa necesita o durata mai lunga si o suprafata insemnata de teren, fiind in acelasi timp dependenta de starea aerului exterior.

Uscarea artificiala are loc in uscatorii, din care agentul de uscare, care a absorbit vaporii de apa din material, este evacuat pe care artificiala cu ajutorul ventilatoarelor sau altor instalatii de tiraj. Agentul de uscare este de asemenea incalzit sau uscat inainte de a fi introdus in camera de lucru a uscatoriei.

1. PARAMETRII PRINCIPALI AI AERULUI UMED

SI GAZELOR DE ARDERE

Cea mai mare raspandire intre instalatiile de uscare o au cele care folosesc ca agent de termic aerul sau amestecul acestuia cu gazele de ardere.

Aerul umed este un amestec de gaze: aer uscat si vapori de apa. In studiul aerului umed se definesc urmatorii parametri:

A    Presiuni

Presiunea barometrica, p_b, presiunea aerului atmosferic masurata intr-un anumit punct geografic si in anumite conditii meteo. Ea reprezinta presiunea totala a amestecului. In mod conventional s-a admis presiunea fizica normala egala cu 760 mm Hg sau 101325 N/m² masurata la nivelul marii, careia ii corespunde altitudinea zero;

Presiunea partiala a vaporilor de apa, p_v - presiunea pe care ar exercita-o vaporii de apa din amestec daca ar ocupa singuri, la aceeasi temperatura, volumul intregului amestec.

Observatie: presiunea partiala are valori cu atat mai mari cu cat continutul de umiditate din aer este mai ridicat;

Presiunea de saturatie, p_s - presiunea partiala maxima a vaporilor de apa pentru o anumita valoare a temperaturii data a amestecului.

A    Temperaturi

Pentru determinarea starii aerului umed se definesc urmatoarele temperaturi:

temperatura termometrului uscat, t - temperatura masurata cu un termometru obisnuit, de o anumita clasa de precizie, cu rezervorul uscat si protejat impotriva radiatiei termice.

temperatura termometrului umed, t_u - mai este cunoscuta si sub denumirea de temperatura de saturatie adiabatica a aerului umed; ea se masoara cu un termometru obisnuit cu rezervorul de lichid termometric infasurat in panza de tifon imbibata in apa.

temperatura punctului de roua, t_r - la racirea aerului la presiune constanta la o anumita temperatura incepe condensarea vaporilor de apa continuti in aer, aceasta valoare a temperaturii reprezentand tocmai temperatura punctului de roua.

A    Umiditatea aerului

Pentru determinare umiditatii aerului, se folosesc trei notiuni: umiditatea specifica, umiditatea absoluta, umiditatea relativa si continutul de umiditate.

Umiditatea specifica a aerului umed x, exprima continutul de vapori de apa dintr-un kilogram de amestec:

(1)

Umiditatea absoluta, a, reprezinta greutatea vaporilor de apa continuti intr-un metru cub de aer umed, deci se masoara prin densitatea relativa r_v a vaporilor de apa din amestec:

[kg/m³] (2)

Observatie: aceasta notiune este rar folosita in tehnica uscarii.

Umiditatea relativa f) se defineste ca fiind raportul dintre masa de vapori de apa continuti intr-un metru cub de aer umed si masa de     vapori de apa necesari pentru saturarea aceluiasi volum de aer, la aceeasi temperatura si presiune:

(3)

Observatie: Pentru calculele tehnice ale uscatoriilor, aerul umed este considerat in mod conventional, un gaz perfect, caruia i se pot aplica legile Boyle-Mariotte, Gay-Lussac si legea presiunilor partiale, conform careia presiunea aerului umed se compune din presiunile partiale ale aerului uscat si ale vaporilor de apa continuti in aer.

Continutul de umiditate, x, este masa vaporilor de apa, m_v, continuta in cantitatea m_a de aer uscat, la o stare oarecare data:

[kg vapori de apa/kg aer uscat] (4)

Observatie: masa de vapori de apa este raportata la kilogramul de aer uscat si nu la cel umed. Aceasta se face cu scopul de a usura calculele, in timpul transformarilor la care este supus aerul umiditatea schimbandu-se (masa amestecului se schimba), masa aerului uscat ramanand constanta.

Valoarea numerica a umiditatii poate fi calculata, folosind ecuatia Clapeyron pentru aer si vapori de apa:

[kg/kg aer uscat] (5)

A    Capacitatea calorica masica specifica

Capacitatea calorica masica variaza cu temperatura si presiunea. Majoritatea proceselor in care ca agent termic este utilizat aerul sunt considerate izobare, variatiile de presiune fiind neinsemnate.

Functie de temperatura, pentru calculul capacitatilor calorice medii pentru vapori si aer, se pot folosi relatiile:

[kJ/(kgK)] (6)

[kJ/(kgK)] (7)

Pentru domeniul temperaturilor obisnuite (-20 ⁰C si 80 ⁰C) se pot lua urmatoarele valori medii:

c_pa =1,006 [kJ/kgK]

c_pv =1,863 [kJ/kgK]

A    Entalpia aerului umed

Se va stabili entalpia amestecului, aer uscat si vapori de apa:

pentru aer uscat: pentru vapori de apa:

h_a=cp_at [kJ/kg aer uscat] h_v=r+c­p_vt [kJ/kg vapori] (8)

Daca aerul umed contine apa in stare lichida in exces fata de saturatie, expresia de calcul a entalpiei devine:

[kJ/kg aer uscat] (9)

Daca aerul umed are o umiditate mai mica de 0 ^oC contine particule de gheata sau fulgi de zapada, entalpia aerului umed are expresia:

[kJ/kg aer uscat] (10)

in care:

c_l - capacitatea calorica masica a apei in stare lichida;

c_l=4165 [kJ/kgK]

r_g - caldura latenta de inghetare a apei;

r_g=333 [kJ/kg]

c_g - capacitatea calorica specifica a ghetii;

c_g=2,05 [kJ/kgK]

In cazul utilizarii gazelor de ardere ca agent de uscare, pentru determinarea entalpiei si continutului de umiditate al acestora, este necesar sa se cunoasca compozitia combustibilului. Aceasta se poate raporta la masa sa de lucru, organica sau combustibila. Pentru transformarea compozitiei combustibilului dintr-o masa in alta, se pot utiliza coeficienti dati de literatura de specialitate.

Cantitatea teoretica de aer uscat necesara pentru arderea unui kilogram de combustibil se poate determina cu relatiile:

pentru combustibilul solid sau lichid

[kg/kg] (11)

cu C^l, H^l, S^l, O^l - continutul de carbon, hidrogen, sulf si oxigen, in procente din masa de lucru a combustibilului;

pentru combustibilul gazos:

[kg/kg] (12)

cu CO, H₂, H₂S, C_mH_n, O₂ - continutul de oxid de carbon, hidrogen sulfurat, hidrocarburi si oxigen, in % din masa totala.

Continutul de umiditate al gazelor de ardere se calculeaza cu formula:

[kg/kg gaze uscate] (13)

Pentru determinarea greutatii vaporilor de apa din gazele de ardere G_vap si greutatii gazelor de ardere uscate G_gu se recomanda relatiile din tabelul 1.

Tabelul 1. Formule pentru calculul lui G_vap si G_gu

Observatie: W reprezinta cantitatea de apa suflata in focar sau utilizata pentru pulverizarea combustibilului.

Entalpia amestecului de gaze de ardere si aer care este utilizat in instalatia de uscare este:

[kJ/kg. g.u.] (14)

unde:

Q_s este puterea calorifica superioara a combustibilului, in kJ/kg;

h_f - randamentul arderii combustibilului in focar;

c_c, t_c - caldura specifica, respectiv temperatura combustibilului, in kJ/kg ^oC si in^oC;

l - coeficientul de exxes de aer;

I₀ - entalpia aerului, in kJ/kg.

Calculul instalatiilor de uscare convective cu aer

In instalatiile convective de uscare materialul umed intra in contact cu agentul de uscare - aerul cald sau gazele de ardere, de la care primeste prin convectie caldura necesara procesului de uscare.

Bilanturi masice

Ecuatia bilantului masic al materialului supus uscarii are forma generala:

[kg/s] (15)

cu

M₁ - debitul materialului intrat in uscator;

M₂ - debitul materialului iesit din uscator;

M_a - masa apei eliminate din material in procesul de uscare, raportata la unitatea de timp.

Tinand seama de definitia umiditatii absolute si notand cu u₁ si u₂ umiditatea absoluta a materialului la intrarea, respectiv, la iesirea din instalatie, debitul materialului complet uscat care circula prin instalatie poate fi scris ca:

(16)

Debitul aerului umed care circula prin uscator este alcatuit din debitul aerului uscat, M_aer si debitul umiditatii M_aerx, x fiind continutul de umiditate. Deoarece aerul preia umiditatea indepartata din material, continutul de umiditate al acestuia in uscator creste.

Notandu-se cu x₀ continutul de umiditate al aerului care intra in uscator si cu x₂ continutul de umiditate al aerului care iese din uscator, bilantul masic pe uscator este:

[kg/s] (17)

relatie scrisa in ipoteza absentei pierderilor de aer prin neetanseitatile instalatiei (M_aer=0).

Bilantul masic al umiditatii pe uscator este:

[kg aer/kg apa]

Bilantul termic al instalatiei de uscare teoretice

Instalatia de uscare teroretica se caracterizeaza prin:

- pierderi de caldura nule in mediul ambiant;

- temperaturile materialului la intrarea si iesirea din instalatie egale cu 0^oC;

- lipsa bateriei de incalzire in camera de uscare.

Ecuatia bilantului termic al camerei de uscare este:

unde Q este fluxul termic primit de aer in bateria de incalzire;

h₀, h₁, h₂ - entalpia aerului la intrarea in instalatie, la iesirea din bateria de incalzire si la iesirea din instalatie;

M_aer - debitul aerului uscat care circula prin instalatie

Deoarece ecuatia bilantului termic al camerei de uscare este:

rezulta ca, in cazul instalatiei teoretice, h₁=h_2.

Concluzie: procesul de uscare se desfasoara cu mentinerea constanta a entalpiei aerului.

Consumul specific de energie termica al instalatiei, q, este definit ca energia termica consumata pentru eliminarea unui kilogram de umiditate din material. Ca urmare, in cazul instalatiei teoretice,

Observatie: In instalatia de uscare teoretica se consuma energie termica pentru incalzirea agentului de uscare si pentru vaporizarea umiditatii din material.

Bilantul termic al instalatiei de uscare reale

Ecuatia bilantului termic pe instalatia de uscare reala cu functionare continua este:

Observatii

1. Debitul aerului uscat s-a considerat constant - s-au neglijat pierderile de aer prin neetanseitatile instalatiei;

2. Fluxul termic pierdut in mediul ambiant se calculeaza folosind ecuatia de transfer termic intre aerul din interiorul instalatiei si aerul din exteriorul acesteia.

Durata procesului de uscare

Masa elementara de apa dM_a eliminata din material prin uscare in intervalul de timp elementar dt rezulta din ecuatia de transfer masic la interfata material umed - aer:

[kg]

Unde k_u este coeficientul de transfer masic, denumit in studiul proceselor de uscare si coeficient de uscare; S_u - aria portiunii umede din suprafata materialului; x - continutul de umiditate al aerului; x_s,m - continutul de umiditate al aerului saturat, la temperatura materialului.

Viteza de uscare reprezinta masa de apa eliminata in unitatea de timp, pe unitatea de arie a suprafetei materialului. Sub forma diferentiala, viteza de uscare poate fi exprimata prin:

,

In cazul regimului nestationar, sau:

,

pentru regimul stationar. In relatiile de mai sus, S [m²] este aria totala a suprafetei materialului.

Durata procesului de uscare , este alcatuita din durata fazei de uscare cu viteza constanta si durata fazei de uscare cu viteza descrescatoare . In continuare se prezinta stabilirea duratei de uscare in doua variante:

uscarea cu aer cu parametrii constanti. In acest caz aerul are temperatura t si continutul de umiditate x (sau umiditatea relativa ) uniforme in spatiu si constante in timp; instalatia de uscare functioneaza in sarje (discontinuu) in regim nestationar.

uscarea cu aer cu parametrii variabili in instalatii cu functionare continua, in regim stationar. Materialul si aerul circula in contra curent sau echicurent. Parametrii aerului (t si x) si umiditatea materialului (u) variaza in lungul instalatiei (pe directia de deplasare a aerului si materialului), dar sunt constante in timp in fiecare sectiune de pe lungimea instalatiei.

Uscarea cu aer cu parametri constanti

Durata fazei de uscare cu viteza constanta, t . In timpul fazei de uscare cu viteza constanta, umiditatea materialului scade de la umiditatea initiala u_i la umiditatea critica u_cr, iar suprafata materialului este in totalitate umeda.

Viteza de uscare are expresia:

[kg/m²s]

Bilantul masic pe materialul supus uscarii in intervalul de timp dt este:

[kg]

cu M_us masa materialului complet uscat.

Durata perioadei de uscare cu viteza constanta:

[s]

Durata fazei de uscare cu viteza descrescatoare, t . In faza de uscare cu viteza descrescatoare, umiditatea materialului scade de la umiditatea critica u_cr la umiditatea finala u_f, iar aria suprafetei umede a materilului se micsoreaza in timp.

Viteza de uscare in aceasta faza este:

[kg/m²s]

iar durata fazei de uscare cu viteza descrescatoare:

[s]

Deci, micsorarea umiditatii materialului de la umiditatea initiala la umiditatea finala necesita timpul:

t t t [s]

Uscarea cu aer cu parametri variabili

In instalatiile de uscare cu functionare continua, in regim stationar, debitul de aer uscat si debitul de material complet uscat sunt constante. Parametrii aerului si umiditatea materialului variaza pe lungimea instalatiei, in orice sectiune a acesteia fiind insa constante in timp. Camera de uscare a instalatiei poate fi impartita in doua zone: in prima zona, cu lungime L₁, umiditatea materialului scade de la umiditatea initiala u_i­ la umiditatea critica u­_cr, aria suprafetei umede a materialului ramanand constanta, iar in a doua zona, cu lungimea L₂, umiditatea materialului scade de la umiditatea critica la umiditatea finala u_f, suprafata umeda a materialului micsorandu-se continuu.

Durata t a procesului de uscare reprezinta timpul in care materialul parcurge cele doua zone:

t t t

Cele doua durate putand fi scrise si ca:

[s] si [s]

cu s - aria suprafetei materialului raportata la unitatea de masa a materialului complet uscat; S₁ - aria materialului in contact cu aerul in zona de lungime L₁; S₂ - aria materialului in contact cu aerul in zona de lungime L₂.

Observatie: Stabilirea celor doua durate se poate face prin stabilirea ariilor S₁ si S₂ necesare pentru realizarea uscarii.

Deoarece procesul de uscare depinde de parametrii aerului in contact cu materialul, ariile S₁ si S₂ necesare pentru realizarea uscarii, respectiv cele doua durate depind de schema circulatiei aer-material in uscator.

2. TIPURI CONSTRUCTIVE DE INSTALATII DE USCARE

In industrie se utilizeaza o mare diversitate de tipuri constructive de instalatii de uscare, clasificarea acestora in functie de diferite criterii fiind facuta in tabelul 2.

Tabelul 2. Clasificarea instalatiilor de uscare

A    Uscarea naturala

Uscarea naturala are loc sub influenta unor factori naturali ca: presiunea partiala a vaporilor de apa sau incalzirea produselor datorita caldurii transmisa de razele solare.

Eficienta uscarii naturale depinde de temperatura si umiditatea relativa a aerului, de viterza curentului de aer, de starea produsului

A    Uscarea artificiala

Reprezinta cea mai utilizata metoda de uscare a produselor industriale, clasificarea instalatiilor facandu-se in functie de modul in care se transmite caldura de la agentul de uscare la materialul supus uscarii:

Uscarea cu ajutorul caldurii (uscarea termica) - cea mai raspandita, bazandu-se pe proprietatea aerului de a se incalca cu vapori de apa in procent din ce in ce mai mare odata cu cresterea temperaturii.

Uscarea termica se realizeaza in mod diferit in functie de modul de transmitere a caldurii la produsele supuse uscarii:

transmiterea caldurii prin conductibilitate - realizata atunci cand exista contact intre produse si suprafata incalzita. Dezavantaje: nu asigura o incalzire uniforma; nu garanteaza mentinerea calitatii produselor; necesita un consum ridicat de combustibil.

transmiterea caldurii prin convectie - realizata prin contactul direct intre agentul de uscare si produse, contact realizat prin trecerea agentului din stratul de produse, realizanduse concomitent incalzirea acestora si absorbirea vaporilor de apa eliberati.

transmiterea caldurii prin radiatie - realizata atunci cand produsele absorb radiatiile emise de sursa de caldura. Tipuri de surse de radiatii: lampi cu radiatii infrarosii, tuburi ceramice cu rezistenta electrica, radiatii cu arzatoare de gaze fara flacara (cu ardere catalitica);

incalzirea prin curenti de inalta frecventa - realizata prin dispunerea produselor in jurul unui condensator format din doua placi metalice la care se leaga o sursa de curent alternativ de inaltafrecventa. Avantaj: incalzirea debuteaza in interiorul particulelor si se transmite catre straturile exterioare ceea ce, prin uniformizarea care se obtine, contribuie la scurtarea duratei uscarii.

Procesul de uscare cuprinde doua etape distincte

uscarea stratului superficial al corpului care se produce prin evaporarea particulelor de apa din imediata apropiere a suprafetei de contact;

deplasarea umiditatii din interiorul corpului spre suprafata de contact cu aerul. Consecinta: apar in straturile profunde ale produsului gradienti ai presiunii partiale a apei datorita fenomenelor din capilarele produsului poros.

A    Uscarea in circuit deschis

Agentul de uscare incarcat cu umiditatea preluata de la corpul supus uscarii este eliminat in atmosfera, figura 1.

In camera de uscare se introduce materialul umed cu masa (m_a+w_u), la temperatura t_u1, cu m_a - masa materialului uscat si w_u - continutul de umiditate

Figura 1. Uscarea in circuit deschis

Debitul de aer introdus este m₁ cu umiditatea x₁ si temperatura t₁.

Circulatia corpului supus uscarii si aerului in camera de uscare poate fi in echicurent sau contracurent - varianta de preferat din punct de vedere al economicitatii. In timpul procesului de uscare creste cantitatea de apa continuta in aer cu umiditatea extrasa din corp:

M₁(x₂-x₁)=W_u

Pentru accelerarea procesului in camera de uscare se introduce o cantitate de caldura Q [W]:

(15)

A    Uscarea in trepte

In multe situatii, pentru a se evita deformarea sau chiar deteriorarea corpului supus uscarii, se impune uscarea in mai multe trepte. Aceasta situatie se intalneste si in cazurile cand corpul sipus uscarii are o forma mai complicata sau este imbibat neuniform cu umiditate.

Schema de principiu a uscarii in trepte este prezentata in figura 2.

Aerul se preincalzeste in fiecare preincalzitor pana la o anumita temperatura t_ad, admisa de procesul de uscare (natura corpului, continutul de umiditate, viteza de uscare admisa).

Figura 2. Uscarea in trepte

S₁, S₂, S₃ - preincalzitoare de aer; u₁, u₂, u₃ - camerele de uscare.

Procesul de uscare in trepte presupune furnizarea unor cantitati de energie termica din ce in ce mai mici, aerului in preincalzitoare, pe masura ce sunt parcurse treptele de uscare.

A    Uscarea in circuit inchis

Aerul utilizat ca agent de uscare, preluat direct din atmosfera, are parametrii t, x si h - variabili in functie ded conditiile meteorologice ale momentului. Variatia parametrilor de stare ai aerului in timpul procesului de uscare are influente negative asupra stabilitatii acestuia. Acest lucru este insa evitat daca o parte din aerul evacuat din camera de uscare este amestecat cu aer proaspat si reintrodus in circuit, figura 3.

Figura 3. Uscarea in circuit inchis

In schimbatorul de caldura S amestecul de aer recirculat primeste caldura pana atinge temperatura admisa de procesul de uscare.

Cantitatile de aer necesare sunt:

- fara recirculare

si

- cu recirculare

determinarea debitelor D_A si D_R facandu-se utilizand metoda grafo-analitica si reprezentarea procesului in diagrama h-x.

A    Instalatii de uscare cu recuperarea caldurii

Consumul de energie termica in instalatiile de uscare este relativ ridicat, ceea ce a condus la realizarea de instalatii cu recuperarea caldurii din aerul evacuat in atmosfera, figura 4:

Figura 4. Instalatie de uscare cu recuperarea caldurii

O parte din caldura continuta in debitul D_A de aer evacuat in atmosfera este recuperata in schimbatorul de caldura S₁ in care procesele de transfer de caldura se realizeaza la titlul termodinamic constant, x=ct.

Procesul de lucru realizat in instalatia de uscare

In camera de ardere 1 se produce arderea combustibilului in prezenta aerului. Gazele de ardere rezultate se amesteca in camera 2 cu aer, formand amestecul de aer si gaze de ardere.

Parametrii aerului atmosferic sunt:

umiditatea relativa, j

temperatura t₀, ^oC;

continutul de umiditate, x₀, g/kg;

entalpia h₀, kJ/kg.

Parametrii amestecului aer-gaze de ardere:

umiditatea relativa j < j

temperatura t₁>t₀;

continutul de umiditate, x₁>x₀ (se adauga vaporii de apa rezultati prin arderea combustibilului);

entalpia h₁>h₀.

Figura 5. Schema de functionare a unei instalatii de uscare

Amestecul aer - gaze de ardere este insuflat in camera de uscare 3 in care se afla materialul supus uscarii

Parametrii materialului supus uscarii sunt:

greutatea totala, G₀;

temperatura, t'₀;

umiditatea u₀, %.

Prin trecerea materialului prin camera de uscare acesta se incalzeste datorita schimbului de caldura ca are loc intre agentul de uscare si acesta. Ca urmare, o parte din apa continuta de el se evapora fiind preluata de agentul de uscare.

La iesirea din camera de uscare parametrii materialului uscat vor fi:

greutatea G₁<G₀;

temperatura t'₁>t'₀;

umiditatea u₁<u₀.

Parametrii agentului de uscare la iesirea din camera de uscare vor fi:

umiditatea relativa j >j

temperatura t₂<t₁;

continutul de umiditate x₂>x₁;

entalpia h₂<h₁.

Din camera de uscare materialul trece in camera de racire 4, unde este racit sub actiunea aerului atmosferic care se deplaseaza prin camera.

Cercetarile efectuate pentru stabilirea duratei de uscare au permis ridicarea curbelor de uscare pentru diferite produse. S-a observat ca scaderea in timp a umiditatii este marcata de mai multe puncte critice - evaporarea apei de la suprafata produsului realizandu-se in straturi de grosimei foarte mici.

In general, se poate spune ca intre doua puncte critice acceleratia procesului de uscare este constanta, deci viteza de uscare variaza liniar.