Proiect Cuptor De Uscare Caramizi (1) [308642]

CUPRINS

TEMA DE PROIECTARE

Cap. 1. INTRODUCERE

1.1. Elemente de bază ale procesului de uscare

1.1.1. Clasificarea materialelor umede

1.1.2. Legătura apei cu materialul

1.1.3. Umiditatea de echilibru

1.1.4. Eliminarea apei din material. Fazele uscării

1.2. Tipuri de instalații de uscare

1.2.1. Instalații de uscare cu încălzirea materialului prin convecție (uscătoare convective)

1.2.2. Instalații de uscare cu încălzirea materialului prin conducție (uscătoare conductive)

1.2.3. Instalații de uscare cu încălzirea materialului prin radiație (uscătoare prin radiație)

1.2.4. Instalații de uscare cu încălzirea materialului prin generarea internă a energiei

Cap. 2. SCHEMA TEHNOLOGICĂ

Cap. 3. ELEMENTE DE CALCUL

3.1. Principalii parametri funcționali ai cuptorului

3.2. Productivitatea cuptorului

3.3. Puterea necesara acționării cuptorului

3.4. Calculul termic al cuptorului

3.4.1. ……..

3.4.2. ……..

3.4.3. ……….

[anonimizat], cu următoarele caracteristici:

Să se determine :

schema tehnologică în care este încadrat cuptorul

principalii parametri funcționali ai cuptorului

calculul termic al cuptorului

calculul consumului de combustibil

verificarea timpului de încălzire

Capitolul 1

[anonimizat], conțin apă. [anonimizat], [anonimizat].

[anonimizat]. [anonimizat]-filtre. Pentru îndepărtarea chimică a umidității se folosesc substanțe absorbante de umiditate. Uscarea reprezintă procedeul de eliminare a umidității (apei) prin evaporarea acesteia și îndepărtarea vaporilor formați. [anonimizat] ([anonimizat]) [anonimizat], preia vaporii formați pentru a-i evacua din instalație.

Uscarea se poate face natural sau artificial. Uscarea naturală a [anonimizat] (aerul) nu este încălzit și circulă natural peste material. [anonimizat]. [anonimizat], uscat înainte de a fi introdus în camera de lucru a uscătorului, [anonimizat]. [anonimizat], însă necesită o suprafață de teren mai mare și are o durată mai lungă; [anonimizat]. În acest capitol se vor trata problemele legate de uscarea artificială.

[anonimizat] w, sau umiditatea relativă ur. [anonimizat] [kg], [anonimizat] [kg], iar umiditatea relativă este raportul dintre masa apei conținută în material Ma și masa totală a materialului, M=Mus+Ma. [anonimizat]/kg material uscat sau în %. Deci:

(1)

și

(2)

înlocuind în relația (2) Ma = uMus [din ecuația (1)] se obțin, după efectuarea calculelor algebrice, relațiile de transformare:

(3)

(4)

1.1. Elemente de bază ale procesului de uscare

1.1.1. Clasificarea materialelor umede

Majoritatea materialelor umede supuse uscării au o structură coloidală, fiind formate din aglomerări de particule cu dimensiuni cuprinse între 510-7 și 210-4 mm. Materialele umede se împart în două grupe [5]:

soluții coloidale sau soluri, aflate, de obicei, în stare lichidă (de exemplu, laptele și suspensiile metalice);

substanțe gelatinoase sau geluri, care au proprietățile corpurilor solide (de exemplu: cărbunele, argila și făina). Uscarea solurilor se face de obicei prin pulverizare.

Gelurile (corpurile solide) se împart, la rândul lor, în:

corpuri coloidale sau geluri elastice;

corpuri capilar-poroase sau geluri fragile;

corpuri coloidale capilar-poroase.

Gelurile elastice se contractă prin uscare, fără să-și piardă elasticitatea; coloidul tipic din această categorie este gelatina. Gelurile fragile prin uscare își micșorează puțin dimensiunile și devin sfărâmicioase; exemple de geluri fragile sunt materialele ceramice slab arse și mangalul. Corpurile coloidale capilar-poroase au o structură capilar-poroasă, pereții porilor având proprietățile gelurilor elastice. Din această categorie de corpuri fac parte majoritatea materialelor supuse uscării; de exemplu, lemnul, cartonul, fructele, boabele de cereale etc.

1.1.2. Legătura apei cu materialul

Parametrii agentului de uscare, durata procesului de uscare și consumul de energie în instalația de uscare sunt determinate de tipul legăturii apei cu materialul. După mărimea energiei de legătură între umiditate și material se deosebesc [7]:

legătura chimică;

legătura fizico-chimică;

legătura fizico-mecanică.

Legătura chimică este caracterizată prin energii foarte mari, de ordinul 104105 kJ/kmol. Apa legată chimic este apa care a participat la reacția chimică de formare a substanței (de exemplu, hidratarea). De obicei, ea nu se elimină din material prin uscare și, ca urmare, nu este luată în considerare în calculul procesului de uscare. Legătura chimică poate fi distrusă numai prin încălzire la temperaturi înalte.

Legătura fizico-chimică este de trei feluri:

adsorbitivă;

osmotică;

structurală.

Fenomenul de adsorbție se datorează forțelor de natură moleculară, electrostatică etc. care acționează la interfața adsorbant-adsorbit și conduce la formarea unui film de apă pe pereții capilarelor, cu grosimea de ordinul de mărime al dimensiunilor moleculare. Adsorbția este spontană și exotermă. Căldura degajată în acest proces, căldura de adsorbție, descrește pe măsură ce crește cantitatea de apă adsorbită și, ca urmare, intensitatea procesului de adsorbție scade. Cantitatea de apă legată adsorbitiv este specifică adsorbantului (materialului). Prin osmoză, apa de pe suprafața exterioară a pereților semipermeabili ai porilor închiși pătrunde în interiorul acestora. Osmoza nu este însoțită de efect termic, ci provoacă numai o mărire a volumului porului închis. Apa captată la formarea corpului în interiorul porilor închiși constituie apa legată structural. Cantitatea de apă legată osmotic și structural este de câteva ori mai mare decât cea legată adsorbitiv. Legătura ei cu materialul este relativ slabă și poate fi îndepărtată ușor prin evaporare.

Legătura fizico-mecanică se realizează în urma contactului direct dintre material și apă sau prin adsorbția și condensarea vaporilor de apă din aerul umed cu care este în contact materialul. Umiditatea din porii mari ai materialului, ca și umiditatea de umectare (apa de pe suprafața corpului), are o legătură mai slabă cu materialul decât apa legată fizico-mecanic din porii fini ai materialului, care nu poate fi îndepărtată prin evaporare decât în condițiile unei umidități relative scăzute a aerului.

Apa legată adsorbitiv și apa din porii fini ai materialului, legată fizico-mecanic, alcătuiesc așa-numita umiditate legată a materialului. Apa legată osmotic, structural și apa legată fizico-mecanic de pe suprafața corpului și din porii mari ai acestuia alcătuiesc așa-numita umiditate liberă a materialului. În procesul de uscare se elimină mai întâi umiditatea liberă și apoi umiditatea legată, caracterizată prin energii de legătură mai mari decât umiditatea liberă.

1.1.3. Umiditatea de echilibru

Pentru realizarea procesului de uscare, trebuie să aibă loc difuzia vaporilor de apă de la suprafața materialului umed în aer. Aceasta se poate realiza numai dacă presiunea parțială a vaporilor de apă deasupra suprafeței umede a materialului, pm, este mai mare ca presiunea parțială a vaporilor de apă din aer, pv. Când pm = pv, materialul este în starea de echilibru higroscopic și procesul de uscare încetează.

Umiditatea materialului corespunzătoare stării de echilibru higroscopic al acestuia se numește umiditate de echilibru ue. Umiditatea de echilibru este o caracteristică a materialului, fiind totodată o funcție de temperatura t, și umiditatea relativă φ, ale aerului (tabelul 9.1).

Pentru t = ct., reprezentarea umidității de echilibru în funcție de φ conduce la obținerea curbei umidității de echilibru, denumită și izotermă de sorbție. În figura 9.1 este prezentat un exemplu tipic de curbă a umidității de echilibru.

Tabelul 1.1 Umiditatea de echilibru ue [%] a unor materiale în funcție de φ la t = 25 °C

Fig. 1.1. Diagrama de echilibru a umidității.

Regiunea de deasupra curbei de echilibru corespunde situațiilor în care umiditatea materialului este mai mare decât umiditatea de echilibru. De exemplu, pentru punctul A, uA > ue,A ; în acest caz, materialul pierde umiditate prin uscare (proces de desorbție), iar cantitatea maximă de apă care poate fi îndepărtată prin uscare este Mus(uA – ue,A). Regiunea de sub curba de echilibru corespunde situațiilor în care umiditatea materialului este mai mică decât umiditatea de echilibru și, ca urmare, materialul se umezește, adsorbind și/sau absorbind umiditate din aer (proces de sorbție). Umiditatea de echilibru a materialului când aerul este saturat (φ = 100 %) se numește umiditate higroscopică uh.

Izotermele de sorbție diferă ca formă de la un material la altul și pot fi stabilite cu exactitate numai prin determinări experimentale. Izotermele de sorbție se folosesc în primul rând la stabilirea stării finale a materialului în cazul uscării în atmosferă controlată. De asemenea, ele se utilizează în calculele de proiectare a uscătoarelor și pentru stabilirea condițiilor de transport și depozitare a materialelor uscate; acestea pot absorbi apă din aerul ambiant, dacă umiditatea lor este mai mică decât umiditatea de echilibru corespunzătoare umidității relative a aerului.

1.1.4. Eliminarea apei din material. Fazele uscării

Uscarea este rezultatul desfășurării simultane a două procese: transferul termic, în care materialul primește căldura necesară evaporării umidității, și transportul umidității prin material (din interior la suprafață) și de la suprafața materialului la agentul de uscare. Transportul umidității prin material, sub formă de lichid sau vapori, este un proces complex, explicat în principal prin fenomenele de difuzie masică și capilaritate. Umiditatea, sub formă de vapori, de la suprafața materialului este preluată de agentul de uscare prin transfer masic.

Procesul de uscare poate fi împărțit în perioade distincte, caracterizate printr-un anumit mod de variație a umidității materialului, determinat în special de structura materialului, tipul legăturii apei cu materialul și de condițiile transferului termic și masic. Aceste perioade sunt evidențiate prin curbele de uscare, care indică variația în timp a umidității materialului u, a temperaturii materialului tm precum și a vitezei de uscare v [kg/(m2s)], care este definită ca masa de apă evaporată în unitatea de timp, pe unitatea de arie a suprafeței materialului.

Figura 1.2 ilustrează curbele specifice procesului de uscare în condițiile menținerii constante a temperaturii t și a umidității relative φ ale aerului (agentul de uscare). În perioada de la începutul procesului de uscare, cu o durată relativ scurtă, τ0 , căldura primită de material de la aer determină în special mărirea temperaturii materialului și a umidității acestuia, dar totodată conduce și la vaporizarea unor cantități mici de umiditate (umiditatea materialului scade de la uA la uB); în această perioadă, suprafața materialului este acoperită cu un film de lichid (toți porii sunt plini cu apă).

La timpul τ= τo , materialul atinge temperatura termometrului umed tum. Din acest moment începe procesul de uscare propriu-zis, alcătuit din două faze (perioade) de uscare:

-faza (perioada) de uscare cu viteză constantă;

-faza (perioada) de uscare cu viteză descrescătoare.

În prima fază a uscării, cu durata τ1 , toată suprafața materialului se menține umedă, temperatura materialului rămânând constantă (egală cu temperatura termometrului umed).

În această fază a uscării, viteza de uscare este constantă, umiditatea care migrează din interiorul materialului spre suprafața acestuia compensând cantitatea de apă evaporată. Procesul de evaporare a umidității la suprafața materialului este identic cu evaporarea la suprafața liberă a apei, nefiind influențat de proprietățile materialului. Umiditatea materialului scade cu timpul până la umiditatea critică ucr (în figura 1.2, uc = ucr), care marchează trecerea la a doua fază a procesului de uscare. Umiditatea critică depinde de natura materialului, grosimea sa și de viteza și parametrii agentului de uscare.

În a doua fază a uscării, uscarea cu viteză descrescătoare, migrația umidității din interiorul materialului spre suprafața acestuia nu mai poate compensa apa evaporată la suprafața materialului. Pe suprafața materialului apar pete uscate, a căror arie crește în timp. Vaporizarea umidității se face și în interiorul materialului, umiditatea migrând spre suprafața materialului atât sub formă lichidă, cât și sub formă de vapori. Procesul de uscare este determinat nu numai de condițiile la interfața material-agent de uscare, ca în prima fază a uscării, ci și de distribuția umidității în material. În această perioadă de uscare, temperatura materialului crește în timp, la început mai repede, apoi din ce în ce mai încet, tinzând să atingă temperatura agentului de uscare. Umiditatea materialului scade din ce în ce mai încet, viteza de uscare micșorându-se continuu. La sfârșitul perioadei de uscare cu viteză descrescătoare, cu durata τ2, umiditatea materialului este egală cu umiditatea de echilibru (în figura 1.2, uD = ue ).

Fig.1.2. Curbe specifice proceselor de uscare.

Perioada de uscare cu viteză descrescătoare este alcătuită din două etape. În prima etapă, viteza de uscare scade uniform (liniar) cu umiditatea materialului, în cea de a doua etapă descreșterea vitezei de uscare cu umiditatea fiind neliniară (neuniformă). Viteza de uscare în a doua etapă a uscării cu viteză descrescătoare este determinată de intensitatea transportului (migrației) umidității în material.

Se menționează că, în unele situații, procesul de uscare se poate desfășura numai într-una din fazele descrise anterior. Astfel, dacă materialul se usucă până la o umiditate mai mare decât umiditatea sa critică, uscarea decurge numai cu viteză constantă. Pe de altă parte, dacă umiditatea inițială a materialului este mai mică decât umiditatea sa critică, în toată perioada de uscare viteza de uscare descrește continuu.

1.2. Tipuri de instalații de uscare

În industrie se utilizează o mare diversitate de tipuri de instalații de uscare; de aceea, clasificarea instalațiilor de uscare este dificilă. Principalele caracteristici generale ale instalațiilor de uscare, după care se poate face o clasificare a acestora, sunt: regimul de funcționare, modul de încălzire a materialului, natura agentului de uscare, circulația agentului de uscare, structura materialului și forma constructivă a instalației.

După regimul de funcționare se deosebesc instalații cu funcționare continuă (în regim staționar) și instalații cu funcționare periodică ( în regim nestaționar). Uscătoarele cu funcționare continuă se caracterizează printr-o încărcare-descărcare continuă și uniformă a materialului care circulă prin instalație. În uscătoarele cu funcționare periodică, materialul se menține în repaos sau se amestecă continuu până la reducerea umidității acestuia la valoarea prescrisă; apoi, materialul uscat este evacuat și în instalație se introduce o nouă încărcătură de material umed.

De obicei, încălzirea materialului se face prin: convecție (transfer termic convectiv de la un agent de încălzire), conducție (transfer termic conductiv de la o suprafață încălzită de un agent termic) sau radiație (transfer termic radiativ de la o sursă de radiații infraroșii). În unele instalații, însă, încălzirea materialului se face prin generarea energiei termice în interiorul acestuia.

Agentul de uscare, care preia umiditatea evaporată din material, poate fi: aer cald, amestec de gaze de ardere cu aer, vapori supraîncălziți sau gaze inerte; cel mai utilizat agent de uscare este aerul. Dacă încălzirea se face prin convecție, agentul de uscare are rol și de agent de încălzire.

Circulația agentului de uscare poate fi naturală sau forțată (asigurată cu ventilatoare). Când materialul se deplasează prin instalație, circulația materialului și agentului de uscare poate fi în echicurent, contracurent, curent încrucișat sau curent mixt.

Materialul supus uscării poate fi sub formă solidă (bucăți, benzi, plăci, granule sau pulberi) sau sub formă de soluții sau paste. Din punct de vedere constructiv, uscătoarele sunt de tip: cameră, tunel, turn, tambur etc.

În continuare se prezintă tipuri reprezentative de uscătoare, grupate după modul preponderent de încălzire a materialului. Se menționează că în multe instalații încălzirea materialului se face în mai multe moduri, de exemplu, prin conducție și convecție sau prin radiație și convecție.

1.2.1. Instalații de uscare cu încălzirea materialului prin convecție (uscătoare convective)

Uscătoarele convective sunt cele mai răspândite tipuri de instalații de uscare din industrie. După cum s-a menționat anterior, în aceste instalații materialul primește căldura necesară procesului de uscare de la agentul de uscare (cel mai adesea, aer cald) prin convecție.

În uscătoarele convective, presiunea agentului de uscare este egală cu presiunea atmosferică sau puțin diferită de aceasta. Dacă în instalație se creează vid, efectul convecției se reduce substanțial.

1.2.1.1. Uscătoare de tip cameră

Uscătorul de tip cameră (cameră de uscare) este o încăpere paralelipipedică, în interiorul căreia materialul (care rămâne în repaos în timpul uscării) este așezat pe vagonete, rafturi sau alte dispozitive. Agentul de uscare circulă peste material natural sau forțat. Funcționarea instalației este periodică. În figura 1.3 este prezentată o cameră de uscare cu circulație forțată a agentului de uscare (aer).

Pentru realizarea unei uscări uniforme, într-un timp cât mai scurt, așezarea materialului în uscător trebuie să asigure o arie cât mai mare a suprafeței de contact agent de uscare-material. În același scop, în unele instalații se schimbă sensul circulației aerului în cameră de mai multe ori în timpul procesului de uscare.

Fiind instalații cu funcționare periodică, uscătoarele de tip cameră sunt caracterizate prin pierderi suplimentare de căldură în timpul încărcării și descărcării materialului. Utilizarea acestor instalații se recomandă când durata procesului de uscare este mare sau în cazul uscării unor cantități mici de material. Ele se pot folosi pentru uscarea: lemnului, plăcilor izolante, materialelor fibroase etc.

Fig. 1.3. Uscător de tip cameră:

1 – ventilator; 2 – baterie de încălzire (aerotermă); 3 – clapetă de reglare;
4 – raft; 5 – material.

1.2.1.2. Uscătoare de tip tunel

Unul dintre cele mai utilizate uscătoare convective cu funcționare continuă este uscătorul de tip tunel, în care materialul se deplasează, așezat în vagonete sau pe un transportor, printr-un canal (cameră) de lungime mare (circa 30-50 m).

Fig. 1.4. Uscător de tip tunel cu recirculare parțială:

a – materialul și agentul de uscare (aer) circulă în contracurent; b – materialul și agentul de uscare (aer) circulă în echicurent; 1 – intrarea materialului; 2 – ieșirea materialului; 3 – intrarea aerului proaspăt; 4 – ieșirea aerului; 5 – aparat de încălzire; 6 – suflantă; 7 – vagonete cu material.

Agentul de uscare poate fi recirculat parțial pentru mărirea vitezei de uscare. De obicei, viteza agentului de uscare este de 2-3 m/s, iar viteza materialului de 3-50 mm/s. În figura 1.4 sunt prezentate schematic două uscătoare de tip tunel cu recircularea parțială a aerului.

1.2.1.3. Uscătoare cu benzi transportoare

În uscătoarele cu benzi, materialul este purtat continuu, în strat subțire, de una sau mai multe benzi transportoare. Agentul de uscare circulă peste material sau prin material (străbate banda transportoare și stratul de material), atunci când structura materialului și construcția benzii permite acest tip de circulație. Față de uscarea la circulația agentului de uscare peste material, uscarea la circulația agentului de uscare prin material este mai intensă, având o durată mai mică, deoarece aria suprafeței de contact material-agent de uscare, în acest caz, este mai mare.

Uscătoarele cu benzi se folosesc pentru uscarea mai multor tipuri de materiale sau produse ca, de exemplu, materiale granulare, legume, fructe, lână, bumbac, celuloză etc. Agentul de uscare folosit este aer cu temperaturi cuprinse în intervalul 60-170°C sau, uneori, un amestec de aer și gaze de ardere.

Figura 1.5 ilustrează un uscător cu patru benzi transportoare. Materialul circulă în contracurent cu aerul încălzit. Viteza benzilor este de 0,3-0,5 m/min, rar viteza aerului de 2-3 m/s.

Fig. 1.5. Uscător cu benzi:

1 – benzi transportoare; 2 – pâlnie de alimentare cu dozator; 3 – tamburi pentru antrenarea benzilor; 4 – role pentru susținerea benzilor; 5 – șicane pentru dirijarea circulației aerului;

6 – baterie de încălzire; 7 – transportor pentru materialul uscat.

Dezavantajul principal al uscătorului din figura 1.5 este folosirea parțială a suprafeței benzilor transportoare. Acest dezavantaj este eliminat prin utilizarea benzilor cu plăci rabatabile (fig. 1.6), alcătuite din plăci care se rotesc cu 90° în dreptul roții de antrenare a transportorului, lăsând materialul să cadă pe plăcile părții inferioare ale aceluiași transportor.

Fig. 1.6. Uscător cu benzi din plăci rabatabile

1.2.1.4. Uscătoare de tip tambur rotativ

Amestecarea materialului mărește eficiența procesului de uscare prin reînoirea continuă a suprafeței materialului în contact cu agentul de uscare. Unul dintre uscătoarele, frecvent utilizate, în care materialul este amestecat continuu este uscătorul de tip tambur rotativ.

Uscătoarele de tip tambur rotativ sunt instalații cu funcționare continuă. Ele se utilizează pentru uscarea materialelor pulverulente sau în bucăți ca, de exemplu, nisip, cărbune, argilă, minereuri etc.

Elementul principal al uscătorului de tip tambur rotativ (fig. 1.7) este un cilindru (tambur) înclinat față de orizontală, de obicei, cu un unghi de până la 8°, care se rotește continuu în jurul axei sale cu 1-8 rot/min. Materialul introdus pe la capătul superior al cilindrului se deplasează datorită înclinării și rotirii cilindrului, amestecându-se continuu și intrând în contact cu agentul de uscare (aer cald sau gaze de ardere). Tamburul este prevăzut la interior cu un sistem de șicane (fig. 1.8) pentru amestecarea și repartiția cât mai uniformă a materialului în secțiunea cilindrului. Se observă că uscătorul din figura 9.16 are pale de ridicat, dispuse pe suprafața interioară a tamburului. În timpul unei rotații a tamburului, palele ridică materialul și apoi îl lasă să cadă „în ploaie" în curentul de aer.

Sistemul de șicane din interiorul tamburului se alege în funcție de caracteristicile materialului supus uscării. Astfel, pentru materialele în bucăți de dimensiuni mari, se utilizează sistemul cu pale de ridicat, iar pentru cele cu masă specifică mare sistemul cu sectoare; sistemul cu celule se folosește pentru materiale pulverulente. În funcție de sistemul de șicane, materialul poate umple până la 20% din volumul tamburului.

Fig. 1.7. Uscător convectiv de tip tambur rotativ:

a – ansamblul instalației; b – secțiune prin tambur; 1 – tambur; 2 – ventilator; 3 – bandaje; 4 – role de sprijin; 5 – angrenaj; 6 – electromotor; 7 – reductor de turație.

Fig. 1.8. Exemple de sisteme de șicane ale uscătoarelor de tip tambur rotativ:

a – cu pale de ridicat; b – cu sectoare; c – cu celule.

1.2.1.5. Uscătoare de tip turn

În categoria uscătoarelor convective cu funcționare continuă se încadrează și uscătoarele de tip turn, utilizate pentru uscarea cerealelor, legumelor, argilei, cărbunelui etc. Elementul principal al instalației este un turn în care materialul se deplasează sub acțiunea forței gravitaționale, intrând în contact cu agentul de uscare, care circulă prin turn. Deplasarea materialului poate fi încetinită de un sistem de șicane prevăzut în interiorul turnului.

1.2.1.6. Uscătoare cu strat fluidizat

În uscătoarele cu strat fluidizat, agentul de uscare traversează stratul de material granular cu o viteză care determină mișcarea continuă a particulelor de material și suspendarea lor parțială în curentul de agent de uscare. Principiul formării stratului fluidizat este prezentat în continuare.

Dacă un strat de material granular, dispus pe o grilă (sită), este străbătut de jos în sus de un gaz, creșterea continuă a vitezei curentului de gaz la intrarea în strat, w, determină următoarele variații ale pierderii de presiune a gazului, Δp, și înălțimii stratului de material, H (fig. 1.9). La început, când viteza gazului este mică, particulele de material nu se mișcă; mărirea vitezei gazului determină numai creșterea lui Δp, înălțimea stratului ramând neschimbată. Când viteza gazului depășește valoarea wf,1, stratul de material începe să se umfle; creșterea în continuare a vitezei determină mărirea continuă a înălțimii H și a pierderii de presiune Δp. Pierderea de presiune atinge o valoare maximă când în unele zone ale stratului de material, particulele acestuia sunt puternic agitate de curentul de gaz; la suprafața stratului se formează umflături, stratul având aspectul unui lichid care începe să fiarbă. Această valoare (maximă) a pierderii de presiune se numește pierdere de presiune critică (Δpcr), iar viteza gazului la intrarea în strat corespunzătoare viteză minimă de fluidizare sau viteză critică (wcr).

Fig. 1.9 Înălțimea stratului fluidizat și pierderea de presiune a gazului în strat în funcție de viteza gazului la intrarea în strat.

Creșterea lui w în continuare determină mai întâi scăderea și apoi creșterea lui p până la o valoare inferioară lui pcr, după care pierderea de presiune în strat rămâne constantă. înălțimea stratului H crește continuu. Când w depășește viteza de fluidizare wf,1, toate particulele stratului se află în mișcare, intensitatea mișcării acestora în curentul de gaz crescând cu mărirea lui w. Viteza de fluidizare wf,2 corespunde unui grad de fluidizare mare (amestecarea intensă a particulelor de material), la care gazul nu antrenează decât particule de material de dimensiuni foarte mici. Pe măsură ce viteza crește în continuare, gazul antrenează din ce în ce mai multe particule de material (dimensiunea maximă a particulelor antrenate crește). La w > wp, wp fiind viteza de plutire a particulelor de material în gazul de fluidizare (dependentă de proprietățile materialului și de granulația acestuia), se produce antrenarea integrală a particulelor solide de către curentul de gaz (transportul pneumatic al materialului). În transportul pneumatic, p crește cu w.

Principalele avantaje ale uscătoarelor cu strat fluidizat sunt determinate de intensitatea ridicată a procesului de uscare. Aceasta se explică atât prin aria mare a suprafeței de contact material-agent de uscare, cât și prin intensificarea proceselor de transfer termic și masic în material și între material și agentul de uscare (procesele de transfer la suprafața materialului se desfășoară la viteze mari ale agentului de uscare, iar procesele de conducție și migrare a umidității prin material se desfășoară pe distanțe mici, deoarece particulele de material au dimensiuni mici). Intensitatea ridicată a procesului de uscare conduce la o durată de uscare redusă (de ordinul minutelor) și, de asemenea, la un consum redus de căldură și la o construcție de dimensiuni mici, compactă a uscătorului. Durata redusă a procesului de uscare face posibilă utilizarea acestor uscătoare în cazul materialelor termosensibile, care nu suportă temperaturi ridicate perioade de timp mari.

Dezavantajul uscătoarelor cu strat fluidizat este reprezentat de consumul mare de energie pentru vehicularea agentului de uscare prin stratul de material. Uscătoarele cu strat fluidizat se folosesc pentru uscarea nisipului cerealelor, produselor chimice sub formă de granule etc.

Din punct de vedere constructiv, uscătoarele cu strat fluidizat sunt cu grilă, cu bandă rulantă, rotative sau cu șnec. Cele mai răspândite sunt cele cu grilă (fig. 1.10), în care stratul de material fluidizat se formează pe grila de distribuție a agentului de uscare. Pentru o agitare sporită a materialului, unele uscătoare sunt prevăzute cu mecanisme speciale care asigură vibrarea mecanică a grilei de fluidizare.

În uscătoarele cu bandă rulantă, materialul se încarcă pe o bandă rulantă de tip rețea, sub care se introduce agentul de uscare. Uscătoarele rotative au rotoare cu palete, care permit realizarea stratului fluidizat și secționarea acestuia. În uscătoarele cu șnec, stratul fluidizat se formează în canale cu plase, în care materialul este transportat și totodată amestecat cu un transportor cu șurub elicoidal.

Dacă viteza minimă de fluidizare a materialului este redusă, viteza agentului de uscare trebuie să fie redusă corespunzător, pentru evitarea antrenării materialului. Ca urmare, debitul agentului de uscare este redus și energia termică introdusă în uscător cu agentul de uscare nu este suficientă pentru încălzirea materialului și vaporizarea umidității acestuia. În această situație, se folosesc uscătoarele în care se face o încălzire suplimentară a agentului de uscare. Acestea au, imersate în stratul fluidizat, schimbătoare de căldură cu suprafețe extinse încălzite cu un agent termic.

Uscătoarele cu strat fluidizat pot fi construite astfel încât uscarea materialului să se facă în două trepte sau uscarea materialului să fie urmată de răcirea acestuia. Figura 1.11 prezintă un uscător cu strat fluidizat folosit pentru uscarea și răcirea granulelor de NaCl. Corpul aparatului, de formă cilindrică, este alcătuit din două camere: camera de uscare 4 și camera de răcire 7. Fiecare cameră este prevăzută cu câte o grilă pentru formarea stratului fluidizat de material. Materialul uscat în camera de uscare cade prin conducta centrală 8 în camera de răcire. În această cameră, sub grilă, se introduce aer atmosferic. Acesta străbate orificiile grilei și stratul de material uscat, pe care îl răcește până la 68°C. Materialul uscat și răcit cade prin conducta 9 și este evacuat din instalație cu ajutorul transportorului cu șnec 6. Aerul încălzit în stratul de material din camera de răcire până la 65°C este aspirat de ventilatorul 2 și introdus în bateria de încălzire 3, unde se încălzește până la temperatura de 200°C. Apoi, intră în camera de uscare, sub grila pe care se formează stratul de material umed. După ce străbate stratul de material din camera de uscare, aerul este evacuat din instalație prin ciclonul 5. După ciclon, aerul are temperatura de aproximativ 110°C, ceea ce permite o eventuală recirculare a lui în instalație, după o filtrare prealabilă.

Fig. 1.10. Schema unui uscător cu strat fluidizat:

1 – grilă; 2 – hotă; 3 – baterie de încălzire; 4 – ventilator; 5 – jaluzele; 6 – ciclon pentru recuperarea materialului antrenat; 7 – exhaustor.

Datorită avantajelor lor, uscătoarele cu strat fluidizat sunt preferate în multe procese de uscare. Există însă și cazuri în care alegerea unui uscător cu strat fluidizat se dovedește nerațională. De exemplu, când materialul supus uscării este alcătuit din particule de dimensiuni mari, cu masă specifică mare și umiditate redusă. În acest caz, pe de o parte, consumul de energie pentru formarea și menținerea stratului fluidizat este mare și, pe de altă parte, intensitatea procesului de uscare este redusă, procesele de conducție termică și migrare a umidității prin material având o intensitate redusă, datorită dimensiunilor mari ale particulelor de material și a umidității mici a acestora. În acest caz, este recomandată folosirea unui alt tip de uscător; de exemplu, un uscător de tip tambur.

Fig. 1.11. Schema uscătorului pentru uscarea granulelor de NaCl:

/ – dozator cu șnec; 2 – ventilator; 3 – baterie de încălzire; 4 – cameră de uscare;

5 – ciclon; 6 – transportor cu șnec; 7 – cameră de răcire; 8,9 – conducte.

1.2.1.7. Uscătoare pneumatice

Uscătoarele pneumatice au ca element constitutiv principal o coloană (tub) vertical în care materialul pulverulent este dispersat într-un curent de gaz cald (agentul de uscare), fiind antrenat de acesta (viteza agentului de uscare este mai mare decât viteza de plutire a particulelor de material). În timpul circulației amestecului bifazic gaz-material prin coloană, materialul este uscat. Timpul de uscare în aceste instalații este de ordinul secundelor.

Uscătoarele pneumatice pot fi cu funcționare continuă sau discontinuă, cu una sau mai multe coloane înseriate. Materialul și agentul de uscare parcurg instalația într-o singură trecere sau pot fi recirculate. Figura 9.12 prezintă schema unui uscător pneumatic cu trei coloane, iar în figura 9.13 este prezentată schema uscătorului pneumatic cu recircularea materialului și a agentului de uscare.

Fig. 9.12. Schema unui uscător pneumatic cu trei coloane:

1 – coloană; 2 – baterie de încălzire; 3 – ciclon separator; 4 – ventilator
(pentru introducerea aerului); 5 – exhaustor (pentru evacuarea aerului).

Fig. 9.13. Schema unui uscător pneumatic cu recircularea

materialului și agentului de uscare:

1 – ventilator; 2 – ciclon separator; 3 – filtru; 4 – exhaustor

Uscătoarele pneumatice au, în general, aceleași avantaje și dezavantaje ca și uscătoarele cu strat fluidizat. Uscătoarele pneumatice sunt, însă, economice pentru materiale cu granulație fină. Pe măsură ce dimensiunile particulelor de material cresc, viteza de plutire crește, ceea ce determină mărirea consumului de energie pentru vehicularea amestecului bifazic gaz-material. Totodată, cu cât dimensiunile particulelor de material sunt mai mari, intensitatea transferului termic și masic între agentul de uscare și materialul solid scade; ca urmare, timpul necesar uscării crește și deci lungimea coloanei de uscare trebuie să fie mai mare.

1.2.1.8. Uscătoare cu pulverizare

Uscarea prin pulverizare se folosește pentru uscarea materialelor care în stare umedă sunt în fază lichidă (soluții, suspensii, paste subțiri) ca, de exemplu, suspensii de argilă, mase ceramice, coloranți minerali, detergenți, lapte de drojdie, lapte, produse farmaceutice etc. Agentul de uscare folosit este aerul cald sau amestecul aer-gaze de ardere.

Instalația de uscare prin pulverizare are ca principale elemente constitutive: camera de uscare, instalația pentru încălzirea aerului sau producerea gazelor de ardere și instalația pentru reținerea și recuperarea produsului antrenat, sub formă de praf, de agentul de uscare. Camera de uscare este, de obicei, de forma unui cilindru vertical cu diametrul aproximativ egal cu înălțimea, prevăzut cu: dispozitivele pentru pulverizarea materialului, racordul sau sistemul pentru evacuarea materialului uscat și racordurile pentru admisia și evacuarea agentului de uscare.

În camera de uscare, materialul umed transformat prin pulverizare într-o ceață alcătuită din particule cu dimensiuni cuprinse în intervalul 2-500 μm, intră în contact cu agentul de uscare; în urma acestui contact, umiditatea din picături se evaporă și este preluată de agentul de uscare; particulele de material uscat de dimensiuni mari cad sub acțiunea forței gravitaționale, colectându-se la partea inferioară a camerei de uscare, iar cele de dimensiuni mici sunt antrenate de agentul de uscare și reținute în instalația pentru reținerea și recuperarea produsului antrenat.

Pulverizarea materialului se face în dispozitive centrifuge, mecanice sau pneumatice. Pulverizarea centrifugă se realizează cu ajutorul unor discuri cu diametre de 30-350 mm, de forme speciale (prevăzute, de exemplu, cu canale radiale de secțiune rectangulară), care se rotesc cu turații mari. Pulverizarea mecanică sau sub presiune se obține cu ajutorul duzelor de pulverizare în care lichidul este introdus la o presiune de 30-700 bar. Pentru pulverizarea pneumatică se folosesc duze în care lichidul este împins cu ajutorul aerului comprimat cu o presiune de 3-7 bar. Din punctul de vedere al consumului de energie, pulverizarea mecanică necesită cel mai mic consum de energie, iar pulverizarea pneumatică cel mai mare consum de energie.

Figura 1.14 prezintă schema unui uscător cu pulverizare centrifugală. În camera de uscare 3 intră aerul încălzit în bateria de încălzire 4 și materialul umed, care este pulverizat de discul 2. Particulele de material uscat de dimensiuni mari sunt evacuate de transportorul 5, iar aerul care iese din camera de uscare este evacuat din instalație cu ventilatorul 6, după ce în prealabil trece prin filtrul 7, unde sunt reținute particulele fine de material.

Datorită ariei mari a suprafeței de contact material-agent de uscare, a dimensiunilor mici ale particulelor de material și a reînnoirii continue a filmului de gaz ce îmbracă particula de material, care se deplasează cu o viteză relativă față de agentul de uscare, durata procesului de uscare prin pulverizare este mică (de ordinul secundelor).

Fig. 1.14. Schema unui uscător cu pulverizare centrifugală:

/ – conductă de alimentare cu material umed; 2 – disc de pulverizare; 3 – cameră de uscare;

4 – baterie de încălzire; 5 – transportor; 6 – ventilator; 7 – filtru cu saci.

Temperatura materialului în uscătorul cu pulverizare are valori moderate (nu depășește cu mult temperatura termometrului umed corespunzătoare agentului de uscare). Aceasta se explică prin timpul redus în care materialul este în contact cu agentul de uscare, pe de o parte, și prin micșorarea conductivității termice a materialului datorită uscării (prin eliminarea umidității, în particula de material rămân spații libere), pe de altă parte.

Din aceste considerente (rapiditatea uscării și temperatura scăzută a materialului în timpul uscării), uscarea prin pulverizare este recomandată în cazul produselor termolabile. Dezavantajele uscătoarelor cu pulverizare sunt consumurile relativ mari de energie termică și mecanică.

1.2.2. Instalații de uscare cu încălzirea materialului prin conducție (uscătoare conductive)

În cazul uscării conductive (prin contact), căldura necesară procesului de uscare este transmisă materialului prin conducție, de la o suprafață caldă cu care materialul este în contact. Vaporii formați sunt preluați de agentul de uscare și evacuați din instalație.

Uscătoarele conductive pot fi cu funcționare continuă sau periodică, la presiune atmosferică sau sub vid. Suprafața care transmite căldură materialului poate fi încălzită cu abur, apă fierbinte, gaze de ardere sau cu ulei. în continuare, din categoria uscătoarelor conductive, se prezintă trei tipuri de instalații cu funcționare continuă: uscătoarele cu valțuri, uscătoarele cu cilindri și uscătoarele rotative tubulare.

1.2.2.1. Uscătoare cu valțuri

Uscătoarele cu valțuri se folosesc pentru uscarea soluțiilor, suspensiilor și pastelor, în industria chimică, alimentară, farmaceutică etc. De obicei, în aceste instalații se usucă materiale care rezistă (fără degradare) la temperaturi ridicate o perioadă de timp relativ scurtă.

Uscătoarele cu valțuri sunt alcătuite din unul sau două valțuri (tuburi cilindrice). Valțul este încălzit la interior, de obicei, cu abur și se rotește continuu în jurul axei sale. Materialul este preluat de suprafața valțului sub forma unei pelicule subțiri, care se usucă după aproximativ 3/4 dintr-o rotație a valțului. Substanța uscată se desprinde de pe valț cu dispozitive speciale de răzuire.

Fig. 1.15. Schema unui uscător cu un valț cufundat:

/ – valț; 2 – material; 3 – cuvă; 4 – dispozitiv de răzuire;

5 – limitator de strat; 6 – agitator; 7 – golire.

În figura 1.15 este prezentată schema unui uscător cu un valț cufundat parțial în cuva ce conține materialul umed. Căldura transmisă de valț lichidului din cuvă determină modificarea concentrației acestuia (datorită evaporării din cuvă), care conduce la modificarea grosimii peliculei de material preluată de valț. Agitatorul 6 asigură uniformizarea concentrației lichidului din cuvă, iar grosimea peliculei de material de pe valț este stabilită prin poziția limitatorului de strat 5.

Figura 1.16 prezintă un uscător cu un valț în care alimentarea valțului cu material se face prin intermediul a doi cilindri neîncălziți, cu diametrul mult mai mic decât diametrul valțului uscător. Acest mod de alimentare care asigură o concentrație constantă a lichidului din cuvă, se utilizează la uscarea lichidelor omogene.

Fig. 1.16. Uscător cu un valț pentru lichide omogene:

1 – valț; 2 – cilindri de alimentare; 3 – cuvă; 4 – alimentarea cu material; 5 – agitator;

6 – dispozitiv de răzuire; 7- transportor cu șnec; 8 – evacuarea aerului.

Fig. 1.17. Scheme de alimentare a uscătoarelor cu două valțuri:

1 – valțuri; 2 – material; 3 – dispozitive de răzuire.

În cazul uscătoarelor cu două valțuri, de obicei, materialul este introdus pe la partea superioară (fig. 1.17). Grosimea stratului de material de pe valț poate fi stabilită prin reglarea distanței dintre valțuri sau cu ajutorul limitatoarelor de strat. Un uscător cu două valțuri este prezentat în figura 1.18.

Pentru uscarea materialelor care nu suportă temperaturi ridicate, precum și pentru uscarea materialelor explozive sau care degajă vapori nocivi, se folosesc uscătoare cu valțuri sub vid. în interiorul carcasei acestor uscătoare se menține, cu ajutorul unei pompe de vid, o presiune de 25-100 mbar. Uscătoarele cu valțuri sub vid au un consum de căldură mai redus decât uscătoarele care funcționează la presiune atmosferică și funcționarea lor nu depinde de condițiile atmosferice, însă sunt mai greu de executat și necesită un consum mai mare de metal pentru execuție.

Fig. 1.18. Uscător cu două valțuri:

/ – carcasă; 2 – valțuri; 3 – dispozitive de răzuire;

4 – material umed; 5 – intrare aer; 6 – evacuare aer; 7 – evacuare material.

1.2.2.2. Uscătoare cu cilindri

Uscătoarele cu cilindri se folosesc pentru uscarea materialelor sub formă de benzi ca, de exemplu, țesături, hârtie, celuloză etc. Ele sunt alcătuite din unul sau mai mulți cilindri încălziți la interior cu abur care condensează, care se rotesc în jurul axei proprii. Materialul sub formă de bandă învăluie cilindrii, trecând de la unul la altul (fig. 9.29). Umiditatea evaporată din material este preluată de aer; ventilarea cilindrilor se face natural sau artificial.

Uscătoarele cu cilindri necesită cheltuieli reduse de investiție și sunt ușor de întreținut în exploatare.

Fig. 1.19 Schema unui uscător cu cilindri:

/ – rulou de material umed; 2 – rulou de material uscat; 3 – cilindri de uscare (încălziți);

4 – cilindri de răcire; 5 – role de ghidaj; 6 – hotă.

1.2.2.3. Uscătoare de tip tambur rotativ

Ca și în cazul uscătorului convectiv de tip tambur rotativ, uscătorul conductiv de tip tambur rotativ are ca element constructiv principal un tambur (cilindru) rotativ ușor înclinat față de orizontală. Cilindrul, fie este amplasat într-o incintă prin care circulă agentul de încălzire (fig. 1.20), fie este prevăzut în interior cu unul sau mai multe tuburi (țevi) încălzite la interior sau la exterior cu un agent termic.

Fig. 1.20. Uscător conductiv de tip tambur rotativ:

1-tambur; 2 – arzător.

Materialul și aerul care preia umiditatea circulă prin tambur, respectiv peste țevile încălzite la interior sau prin țevile încălzite la exterior. Ca agent de încălzire se folosește aburul sau gazele de ardere. Materialul primește căldură prin conducție (și radiație) de la suprafața caldă a tamburului sau a țevilor.

În figura 1.21 se prezintă un uscător de tip tambur rotativ utilizat pentru uscarea cărbunelui. Agentul de încălzire, aburul, intră în țeava centrală 2, din care, prin golurile din pereții acesteia pătrunde în spațiul dintre țevile 3. Cedând căldură țevilor 3, aburul se condensează; condensul format este evacuat prin țevile 4. Materialul umed care intră prin pâlnia 5 este repartizat uniform, cu ajutorul unui dispozitiv special de alimentare, în țevile 3. Acestea sunt prevăzute la interior cu șicane în formă de spirală, in țevi intră și aerul, care preia vaporii formați în procesul de uscare. Materialul, deplasându-se prin țevi datorită înclinării acestora și rotirii lor odată cu cilindrul 1 (tamburul), se încălzește de la suprafața țevilor și se usucă. Materialul uscat este evacuat prin gura de evacuare 6, iar aerul care a preluat umiditatea este evacuat cu un ventilator, după ce a trecut printr-un sistem de desprăfuire; sistemul de desprăfuire reține 10-15 % din cantitatea totală de cărbune uscat.

Uscătoarele de tipul celui din figura 1.21 au o arie a suprafeței de încălzire (suprafața țevilor prin care circulă cărbunele) de aproximativ 2.500 – 3.000 m2. Tamburul este înclinat față de orizontală cu un unghi de 9-12° și execută 4-12 rot/min.

Fig. 1.21. Uscător de tip tambur rotativ pentru uscarea cărbunelui:

/ – cilindru rotativ (tambur); 2 – țeava centrală; 3 – țevi uscătoare; 4 – conductă pentru evacuarea condensului; 5 – pâlnie de alimentare cu material umed; 6 – gură de evacuare a materialului uscat; 7- dispozitiv pentru acționarea cilindrului.

1.2.3. Instalații de uscare cu încălzirea materialului prin radiație (uscătoare prin radiație)

Instalațiile de uscare prin radiație sunt uscătoarele în care încălzirea materialului (umed) se face prin absorbția radiațiilor infraroșii cu lungimi de undă cuprinse în intervalul 0,4-10 m, produse de o sursă. Ca surse de radiații infraroșii (radianți), se folosesc radianți încălziți electric și radianți încălziți prin arderea unui gaz combustibil.

Radianții încălziți electric (radianții electrici) pot fi: lămpi cu filament de wolfram sau radianți cu rezistori în tub de cuarț, în tub metalic sau în tub ceramic. În cazul radiantului în tub de cuarț, rezistorul este confecționat din crom-nichel sau wolfram și este dispus în canalele de pe suprafața exterioară a unui tub de cuarț. Radiantul în tub metalic este alcătuit dintr-un tub metalic în care este introdus un rezistor de crom-nichel montat într-o masă rigidă de material refractar. Radiantul în tub ceramic are o construcție asemănătoare radiantului în tub metalic; rezistorul, tot din crom-nichel, este montat rigid în masa ceramică, care însă nu mai este protejată de un tub metalic, întrucât ea are o rezistență mecanică corespunzătoare.

Radianții încălziți prin arderea unui gaz combustibil folosesc radiațiile infraroșii emise de flacără și de gazele de ardere. Suprafețele radiante ale acestora sunt sub formă de plăci (sau tuburi) metalice sau ceramice încălzite prin arderea cu flacără deschisă a gazului combustibil, sau plăci ceramice poroase, când arderea gazului se face la suprafața plăcii fără flacără.

Majoritatea materialelor supuse uscării sunt corpuri coloidale capilar-poroase. În cazul acestor corpuri, radiațiile pătrund în capilare la o adâncime determinată de natura materialului și de lungimea de undă a radiației. În urma numeroaselor reflexii pe pereții capilarelor, radiațiile sunt absorbite, energia internă a materialului mărindu-se. Astfel, temperatura maximă a materialului se stabilește în interiorul acestuia, în stratul superficial al materialului gradientul temperaturii având același sens cu gradientul umidității, ceea ce determină mărirea vitezei de uscare.

În cazul materialelor coloidale, lipsa macroporilor împiedică pătrunderea radiațiilor în material și accelerarea procesului de uscare. În multe situații, uscarea materialelor coloidale se face cu funcționarea intermitentă a sursei de radiație: în perioada de funcționare a sursei de radiații, se elimină umiditatea din straturile superficiale, iar în perioada de întrerupere a sursei de radiații are loc o omogenizare a distribuției umidității în corp. Funcționarea intermitentă a sursei de radiație evită ridicarea excesivă a temperaturii materialului și a gradientului de umiditate din interiorul acestuia și, totodată, reduce consumul de energie.

Instalațiile de uscare prin radiație sunt de tip cameră sau de tip tunel, în care materialul este transportat cu dispozitive speciale (benzi, transportoare). Figura 1.22 prezintă un uscător cu lămpi pentru piese lăcuite, iar în figura 1.23 se prezintă schema unui uscător cu radianți metalici încălziți prin arderea unui gaz combustibil.

Fig. 1.22. Uscător cu lămpi pentru piese lăcuite:

1 – baie de lăcuire; 2 – cilindru de lăcuire; 3 – transportor; 4 – lămpi de uscare; 5 – carcasa uscătorului; 6 – conductă de aspirație a aerului; 7 – izolație; 8 – roată de acționare.

Instalațiile de uscare prin radiație sunt de tip cameră sau de tip tunel, în care materialul este transportat cu dispozitive speciale (benzi, transportoare). Figura 1.22 prezintă un uscător cu lămpi pentru piese lăcuite, iar în figura 1.23 se prezintă schema unui uscător cu radianți metalici încălziți prin arderea unui gaz combustibil.

Fig. 1.23. Schema unui uscător cu radianți metalici

încălziți prin arderea unui gaz combustibil:

1 – arzător; 2 – radiant; 3 – conductă pentru

evacuarea gazelor de ardere; 4 – material.

Avantajele principale ale uscării cu radiații infraroșii sunt: intensificarea procesului de vaporizare a umidității prin transmiterea unor fluxuri termice unitare (raportate la unitatea ariei suprafeței materialului) mari și construcția simplă a instalației. Uscătoarele cu radiații se folosesc pentru uscarea suprafețelor vopsite sau lăcuite, hârtiei, materialelor textile, produselor alimentare etc.

1.2.4. Instalații de uscare cu încălzirea materialului prin generarea internă a energiei

Generarea energiei necesare uscării în interiorul materialului este rezultatul frecării interne a moleculelor materialului datorată agitației acestora, agitație care poate fi provocată mecanic (uscarea prin măcinarea materialului în instalații cu ciocane sau discuri) sau cu ajutorul unei surse de înaltă frecvență (uscarea dielectrică sau uscarea cu microunde).

Avantajul principal al instalațiilor de uscare cu generarea internă a energiei este încălzirea rapidă și uniformă a materialului atât în interior, cât și la suprafață. Aceasta favorizează migrarea umidității din interiorul materialului spre suprafața acestuia, prin creșterea presiunii vaporilor conținuți în capilarele materialului, mărind astfel viteza procesului de uscare.

Instalațiile de uscare bazate pe uscarea dielectrică sunt denumite uscătoare cu curenți de înaltă frecvență. în aceste uscătoare materialul umed constituie dielectricul unui condensator, ale cărui armături sunt alimentate în curent alternativ de tensiune și frecvență înaltă. Uscarea dielectrică se utilizează în cazul materialelor care se usucă greu prin alte procedee de uscare ca, de exemplu, grinzi din lemn de esențe tari, piese ceramice cu grosimi mari, miezuri de turnătorie etc.

Un uscător cu curenți de înaltă frecvență este alcătuit din generatorul de curent de înaltă frecvență și camera de uscare în care sunt amplasați electrozii condensatorului. Puterea generatorului, frecvența curentului și forma camerei de uscare depind de tipul materialului uscat.

Dezavantajul principal al uscătoarelor cu curenți de înaltă frecvență este costul ridicat al uscării, datorat consumului mare de energie electrică. Pentru micșorarea consumului de energie electrică, uscarea dielectrică se combină cu uscarea convectivă sau prin radiație. In figura 1.14 este prezentată o instalație de uscare în care uscarea dielectrică (cu curenți de înaltă frecvență) este combinată cu uscarea convectivă cu aer cald.

Secțiunea A-A

Fig. 1.14. Instalație de uscare cu curenți de înaltă frecvență și prin convecție:

1 – vagonet cu material; 2 – generator de înaltă frecvență; 3 – ventilator; 4 – baterii de încălzire; 5 – electrozi; 6 – motor; 7 – transformator.

Cap. 2

SCHEMA TEHNOLOGICĂ

Schema tehnologică a liniei de fabricație este prezentată în fig. 2.1 și se compune din:

Cuptorul tunel este asemănator unui coridor ,având o zidărie foarte lungă de secțiune dreptunghiulară și șine de-a lungul vetrei,pe care se deplasează cărucioare încarcate cu piesele de încalzit.

În partea superioară ,cărucioarele sunt căptușite cu căramidă refractară ;lateral are un închizător cu nisip.

Cuptorul –tunel se utilizează în general pentru normalizarea și recoacerea pachetelor de tablă.

În figura 2.1 avem un cuptor-tunel ,destinat normalizării pachetelor de tablă ,așezate în cutii .Cuptorul este încălzit cu gaz de generator ,debitat în arzătoarele amplasate de-a lungul cuptorului ,în camere speciale de ardere.Gazele arse ajung în zona de egalizare ,în zona temperaturilor maxime ,se indreaptă spre capătul de descărcare ,încălzind astfel în drumul lor cărucioarele încărcate cu tablă și apoi sunt evacuate prin coș.

Cap. 3

ELEMENTE DE CALCUL

În cuptorul combinat tunel-cameră sunt introduse în tact,cărucioare încălzite cu căramizi fasonate ,preuscate.În cuptor se află 16 cărucioare care sunt împinse unul de celălalt.Camarele sunt despărțite prin pereți ,care se pot ridica.În fiecare doua ore se extrage din cuptor un cărucior cu 8000 de kg de carămidă arsă,și este introdus un nou cărucior.Intrarea și ieșirea se face prin uși ghilotină.Încălzirea se realizează cu arzătoare cu păcură .Pereții despărțitori nu ajung până jos astfel încât gazele de ardere se amestecă cu gazele evacuate care vin din camera alăturată .

3.4. Răcirea cărămizilor și preîncălzirea aerului.Aerul și cărămizile se deplasează în contracurent:

Temperatura cărămizilor:

La început t”w=1100C

La sfârșit tw=200C

Temperatura aerului

La început t”g=25C

La sfârșit tg

Cărămizile cedează într-o oră :

4000×0,92(1100-200)=3 306 940 kj/h=918 594 W.

Cărucioarele cedează într-o oră;

5 120 x610x1,256=1 967 420 kj/h=546 506 w

2

Împreună :5 274 360 kj/h=1465,1 hw.

Pierderile de căldură în această zonă a cuptorului se consideră de 5% și atunci reiese:

0,95×5 274 360=6348×1,465(tg-25)

și de aici tg=565C.

Câștigul de căldură prin preîncălzirea aerului este Qi

Qi=6348(565-25)1,465=5010 642 kj/j=1 391 845 W 1 392 kw.

Pierderile de căldură prin zidărie și scăpări de gaze sunt pentru tunelul de răcire:

Qw=0,05×1465,1=73,26kw

La părăsirea cuptorului ,entalpia cărămizii reprezintă o pierdere de căldură prin evacuare:

Qics=(1022 222-918 594)+(714 524-546 506)=271646 W271,7 kw.

Diferența de temperatură medie între piesa de răcit și aer deoarece aici temperatura piesei este mai ridicată decât temperatura aerului:

Δtm = = 325oC

3.4.1 Preîncălzirea carămizilor.Cărămida și gazul de evacuare circulă în contracurent.

La început:100C;

La sfârșit:650C.

Temperatura gazului la ardere:

La început :900C;

La sfârșit :t”g.

De-a lungul traseului de temperaturi pentru 4000 kg cărămidă pe oră trebuie să fie consumate pentru:

uscarea și îndepărtarea apei de hidratare 349,94 kw;

încălzirea cărămizii

= 562,23 kw

încălzirea căruciorului

= 276,88 kw

Pierderile de căldură în această zonă se apreciază în total 5% atunci:

1189,05 = 0,95**1,465(900-t”g), de unde tg”=425C.

Pierderile de căldură prin zidărie și scăpări de gaze pentru tnelul preâncălzit sunt:

Qw”=0,05**1,465(900-425) = 62,6kw.

Diferența de temperatură medie între semifabricat și gazele de ardere este de:

tm = = 286C

3.4.2Consumul de combustibil .Cuptorul are o suprafață de zidărie de 1080 m2.La o temperatură medie a peretelui exterior de 40C pierderile prin pereți sunt de 710 kj/m2 și pentru întreg cuptorul 770 000kj/h=215 000w.

Pierderile prin scăpări de flăcări sau de gaze se pot aprecia la 400 000kj/h=12 700w.Suma este de 329kw.Pentru tunelul de preâncălzire și pentru tunelul de răcire s-au calculat:

QW=73,26 kw și Q”W=62,6KW.

pierderile pentru cele patru camere de ardere sunt:

Q”w=329-73,26-62,6=193,14kw.

Pierderile prin gazele evacuate sunt:

Qs=6 484/3 600×1,465(425-25)1050kw.

Înseamnă că trebuie realizat un aparat de:

QB=Qs+Qw+QW+QW+QR+Qies=1050+73,26+62,6+193,14+524,1+271,7=2 174,8Kw= 7 829 280 kj/h

Consumul de combustibil va fi:

B= =194 kg de păcură /oră

3.4.3Verificarea timpului de încălzire.Trebuie verificat dacă timpul de menținere de 2 h în fiecare cameră de încălzire este suficient pentru a încălzi cărămida și în interiorul ei până la temperatura cerută.Ca exemplu se va calcula timpul de încălzire .Într-o camera se va introduce ultimele 30%(procente)de combustibil ,temperatura medie a gazelor de ardere are valoarea t0=900C.Materialul intră cu temperatura twb=650C și după cel mult 2 h,este împins mai departe cu temperatura twe=800C.Prin contracție cărămizile s-au îndepărtat în direcția transversală.Astfel materialul constă acum din coloane de secțiune 0,22+0,055m și de înălțime de 0,99m,care sunt despărțite în direcția curentului de gaz printr-un interval de 0,08m iar perpendicular pe această direcție printr-o fantă.

Greutatea fiecărei coloane este G=19,2kg.

Suprafața verticală a unei coloane care este spălată de gaze este de F=0,544m2.Ea se poate înlocui cu o coloană cilindrică cu aceeași suprafață ,adică:

2r x x 0,99=0,544;

De unde raza r=0,087m.

Se presupune că în direcția curenților de gaze se poate considera o curgere forțată iar prin crăpăturile înguste perpendiculare pe aceasta,o curgere liberă.Afară de aceasta grosimea stratului este atât de mică încât se poate neglija împrăștierea gazului .

Secțiunea liberă pentru curentul de gaz este:

11 x0,08 x0,99=0,87m.

Viteza de curgere este:

W0= 6 484 /0,87×3600 =2,07m/s

Wi = 2,07* =8,8m/s.

Presiunea parțială a componentei CO2 din gazele de ardere este pco2=0,048 și pentru componenta vaporilor de apă pH2O=0,038.

Grosimea stratului s=0,08 m.

Pentru două suprafețe paralele și cu distantă scurtă trebuie înmulțită p x s cu factorul 1,8;din cauza efectului de cavitate (Schack)s=1.

qsCO2=1150kcal/m2 x h=1337 w/m2

qsH2O=300kcal/m2 x h=349W/m2.

Astfel r = (1 337+349)/(900-725)=9,63 W/m2 x grd.(8,3 kcal/m2 x C x h).

BIBLIOGRAFIE

BADEA A., ș.a. – Echipamente si instalații termice, E.T.. București, 2003.

BRATU, E.A. – Operații unitare în ingineria chimică, Editura Tehnică, București, 1984.

BRUNKLAUS, J.H. – Cuptoare industriale- calcul, construcție și utilizare, Editura Tehnică, București, 1977

CARABOGDAN, I. Gh. ș.a. – Instalații termice industriale, Editura Tehnică, București, 1978.

CHARREAU, A., CAVAILLE, R. – Sechage, în Techniques de l'ingenieurs, Paris, 1995.

DIMA, A., MINEA, A. A. – Cuptoare și instalații de încălzire, Editura CERMI, Iași, 2005.

LECA, A., PRISECARU, I., – Proprietăți termofizice și termodinamice, vol. I, II, E.T., București, 1994.

LECA, a., ș.a. – Îndrumar, tabele, monograme și formule termotehnice, E.T., București, 1987.

McCABE, W.L., SMITH, J.C., HARRIOTT, P. – Unit Operations of Chemical Engineering, McGrow-Hill, 2000.

MlHĂILĂ, C, CALUIANU, V., MARINESCU, M., DĂNESCU, Al. – Procese și instalații industriale de uscare, Editura Tehnică, București, 1982.

PERRY, R. H., GREEN, D. W. – Perry's Chemical Engineers' Handbook, McGraw-Hill, 1997.

RĂȘENESCU, I. – Operații și utilaje în industria alimentară, Editura Tehnică, București, 1972.

ȘTEFĂNESCU D., ș.a. – Calcule termogazodinamice pentru instalații termice, Univ. Politehnica, București, 1998.

*** APVDryer Handbook, 2002.

Anexa 1.Caracteristicile principale

Anexa 1.1Tipurile de combustinil

Anexa 2.Puterea calorică (inferioară),consumul teoretic de oxigen și aer,precum și cantitatea produselor de ardere în cazul arderii celor mai simple gaze.

Anexa 4

Anexa5.

Anexa6.constantele fizice ale aerului si gazelor arse .

Anexa 7.conținutul de umiditate al erului la presiunea de 760 mm Hg

Anexa 8. Diangrama-is pentru aer

Anexa9.pierderile de căldură prin pereții cuptorului.

Anexa 10.Temperatura maximă admisibilă a zidăriei.