ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ СУШИЛЬНОГО АГЕНТА И ЕГО РАСХОДА НА ТЕПЛООБМЕН В ПРОЦЕССЕ СУШКИ СЫРЫХ ОКАТЫШЕЙ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ УСТАНОВКИ

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассмотрено влияние температуры и расхода осушающего агента на теплообмен в процессе сушки сырых окатышей. Также, в статье приведена экспериментальная установка для сушки сырых окатышей и проведен расчет коэффициента полезного действия данной установки.

ASSTRACT

In this article reviewed the influence of temperature and consumption of the drying agent on heat transfer during the drying of raw pellets. Also, the article presents an experimental installation for drying raw pellets and calculates the efficiency of this installation.

Ключевые слова: температура, расход, осушающий агент, теплообмен в процессе сушки, сырые окатыши, коэффициент полезного действия.

Keywords: temperature, flow, drying agent, heat transfer in the drying process, raw pellets, efficiency

Сырые окатыши – шарообразные тела различного диаметра, полученные путем окомкования тонкоизмельченных рудных материалов с добавкой связующих веществ с флюсами или без них с последующим упрочнением способами сушки, предварительного нагрева и обжига.

Процесс сушки окатышей представляет собой подведение тепла к просушиваемому материалу, извлечение из него влаги в виде пара и удаление его в атмосферу. Сущность данного процесса заключается в переходе влаги, находящейся в твердом материале, из жидкой фазы в газообразную. Такое явление можно наблюдать в том случае, если давление пара над поверхностью материала больше парциального давления его в окружающей газообразной среде. Процесс сушки состоит из ряда взаимосвязанных теплофизических явлений, которые протекают в следующем порядке:

- передача тепла от агента сушки к поверхности просушиваемого дисперсного материала;

- испарение влаги с поверхности гранул;

- перенос тепла от поверхности гранулы к его внутренним слоям;

- перемещение влаги изнутри гранулы к поверхности и одновременно продолжающееся испарение влаги с поверхности.

Вся испаряющаяся влага поглощается агентом сушки и уносится в атмосферу.

Как и в других процессах, различают две стороны сушки - статику и кинетику. Статика сушки устанавливает связь между начальными и конечными параметрами участвующих в сушке веществ (материала и сушильного агента) на основе уравнений материального и теплового балансов: из статики сушки определяют состав материала, расход сушильного агента и расход тепла. Кинетика сушки устанавливает связь между изменением влажности материала во времени и параметрами процесса (свойства и структура материала, его размеры, гидродинамические условия обтекания материала сушильным агентом и др.). Кинетика сушки влажного материала определяет выбор оптимальных параметров сушильного агента (температуры, давления, влажности), конструкцию и основные размеры сушильного устройства. Детальное изучение кинетики позволяет организовать процесс сушки с минимальными энергозатратами и получать продукт высокого качества.

В лаборатории металлургии и металловедения СТИ НИТУ «МИСиС» были проведены эксперименты по сушке слоя окатышей при различных температурных режимах и расходах. Для данных экспериментов использовались сырые окатыши с АО "ЛГОК". Химический состав и дозировки связующих веществ окатышей приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Химический состав и дозировки связующих веществ сырых окатышей с АО "ЛГОК"

Для проведения эксперимента необходимо было подготовить установку для процесса сушки сырых окатышей, которая представлена на рис. 1.

Рис. 1. Экспериментальная установка для сушки сырых окатышей в условиях лаборатории кафедры ММ

Данная установка состоит из теплового пистолета, изолированной емкости, в которую помещаются сырые окатыши (высота слоя окатышей 3,6 см), двух термопар для измерения температуры входа и выхода теплоносителя, а также весов для измерения массы окатышей в процессе сушки.

Расчет коэффициента потерь теплоты при сушке плотного слоя сыпучего материала

Теплосодержание до прохождения через плотный слой:

Qг = Cvг*Vг*T0г

Теплосодержание после прохождения плотного слоя (газ охладится до температуры T01): Qг = Cvг1*Vг*T01

Тогда отданное количество теплоты: Qот = Vг*(Cvг* T0г - Cvг1* T01)

Количество газа, пройденного через слой: Vг = Р*t

Время процесса сушки t = 21 мин = 1260 с

Для режима 80/300/600 при Р=250 л/мин = 4,1667 л/с = 0,0041667 м3/с

Vг = 0,0041667 * 1260 = 5,25 м3

Через интерполяцию определили объемные теплоемкости при экспериментальных температурах входа и выхода газа (воздуха):

T0г = 250,5 °C = 523,5 К;   Cvг = 0,86937 кДж/(м3* К)

T01 = 104 °C = 377 К;   Cvг1 = 0,95245 кДж/(м3* К)

Qот = 5,25*(523,5*0,86937 - 377*0,95245) = 504,218 кДж

Для режима 80/300/600 при Р=500 л/мин = 8,3333 л/с = 0,0083333 м3/с

Vг = 0,0083333 * 1260 = 10,5 м3

Через интерполяцию определили объемные теплоемкости при экспериментальных температурах входа и выхода газа (воздуха):

T0г = 282,8 °C = 555,8 К;   Cvг = 0,873954 кДж/(м3*К)

T01 = 185 °C = 458 К;   Cvг1 = 0,867593 кДж/(м3*К)

Qот = 10,5*(555,8 *0,873954 - 458*0,867593) = 928,0534 кДж

Теплосодержание сыпучего слоя в начале эксперимента:

Qс = Cс*Мс*Tс

При продувке горячим газом плотного слоя, он будет нагреваться, при этом его теплосодержание: Qс1 = Cс1*Мс*Tс1

Тогда полученное от газа плотным слоем количество теплоты:

Qпол = Мс*(Cс1* Tс1 - Cс* Tс)

Масса плотного слоя: Мс = ρ(нас)*Нс*(π*D²/4), где ρ(нас) = 2300 кг/м3; D = 127 мм = 0,127 м; Нс = 3,6 см = 0,036 м

Мс = 2300*0,036*(3,14*0,127²/4) = 1,04 кг

Для режима 80/300/600 при Р=250 л/мин

Через интерполяцию определили массовые теплоемкости при экспериментальных температурах входа и выхода окатышей:

Tс = 25,5 °C = 298,5 К; Cс = 0,1836 кДж/(кг*К)

Tс1 = 106 °C = 379 К      Cс1 = 0,7227 кДж/(кг*К)

Qпол = 1,04*(0,7227*379 - 0,1836*298,5) = 227,863 кДж

Для режима 80/300/600 при Р=500 л/мин

Через интерполяцию определили массовые теплоемкости при экспериментальных температурах входа и выхода окатышей:

Tс = 26 °C = 299 К; Cс = 0,1872 кДж/(кг*К)

Tс1 = 140 °C = 413 К   Cс1 = 0,738 кДж/(кг*К)

Qпол = 1,04*(0,738*413 - 0,1872*299) = 258,774 кДж

Коэффициент полезного действия: η = ((Qот- Qпол)/ Qот) * 100%

Для режима 80/300/600 при Р=250 л/мин:

η = ((504,218-227,863)/ 504,218) * 100% = 54,81%

Для режима 80/300/600 при Р=500 л/мин:

η = ((928,0534 -258,774)/ 928,0534) * 100% = 72,12 %

Вывод: из полученных расчетных данных можно сделать вывод, что чем больший расход задан для процесса сушки окатышей, тем эффективнее работает установка. В данном случае, КПД при расходе 500 л/мин больше КПД при расходе 250 л/мин в 1,31 раза.

Список литературы:

1. А.С. Тимофеева, Т.В. Никитченко. Экстракция черных металлов из природного и техногенного сырья. Лабораторный практикум Старый Оскол, 2012 г.
2. Тимофеева А.С., Тимофеев Е.С. Теплофизические особенности производства окисленных окатышей и металлизованного продукта: учебное пособие/ А.С. Тимофеева, Е.С. Тимофеев. – Старый Оскол: ТНТ, 2015. – 204 с
3. Тимофеева А.С., Федина В.В. Справочник теплофизика-металлурга: уч. пособие. - Старый Оскол: Из-во кпц «Роса».