INSTALAINSTALAŢŢII DE USCAREII DE USCARE

Instalaţiile de uscare se folosesc pentru îmbunătăţirea calităţii materialelor în scopul mării posibilităţilor lor de utilizare prin micşorarea umidităţii acestora.

Căi de îndepărtare a umidităţii din materiale: •Mecanică (prese, centrifuge, vacuumfiltre);•Chimică (substanţe absorbante de umiditate);•Termică (evaporarea sau

vaporizarea naturală/artificială).

Definiţia uscării: procesul termic prin care materialele îşi micşorează umiditatea prin evaporarea acesteia.

Uscarea

aartificial

naturala

Uscarea naturală → are loc la aer în spaţii speciale, fără circulaţie artificială sau încălzirea agentului de uscare.Uscarea artificială → are loc în instalaţii de uscare din care agentul de uscare, care a absorbit vaporii de apă, este evacuat pe cale artificială cu ajutorul ventilatoarelor sau a altor instalaţii de tiraj. Agentul de uscare este încălzit sau uscat înainte de a fi introdus în camera de uscare.Mecanismul şi cinetica uscării materialelor:

�Modul de legare al umidităţii de material:

−

−

;

;

;

mecanicafizico

chimicafizico

chimica

�Regimul de uscare (viteza şi parametrii agentului de uscare).

VariaVariaţţia ia îîn timp a umidităn timp a umidităţţii, ii, temperaturii temperaturii şşi vitezei de uscarei vitezei de uscare

AB

C

D

t = ct.

ϕϕϕϕ = ct.

θθθθ

vus

θθθθ =tum

w

ττττ0 ττττ1 ττττ2

ττττ

ττττ

wcr whigr. wech

Calculul instalaţiilor convective de uscareParametrii aerului umed:

•Umiditatea absolută: reprezintă greutatea vaporilor de apă conţinuţi într-un metru cub de aer umed

=

3m

kg

V

M vapψ

•Umiditatea relativă: se defineşte ca raportul dintre greutatea vaporilor de apă conţinuţi într-un metru cub de aer umed şi greutatea vaporilor de apă necesari pentru saturarea aceluiaşi volum de aer, la aceeaşi temperatură şi presiune

°>

°<

====

.100,

;100,

maxCt

p

p

Ctp

p

p

p

M

M

B

vap

sat

vap

vap

sat

vap

sat

vap

ρ

ρϕ

•Conţinutul de umiditate (umiditatea): resprezintă greutatea vaporilor de apă din aer, raportată la un kilogram de aer uscat

=

..usakg

kg

M

Mx

aer

vap

TRMVp aeraeraer ⋅⋅=⋅

TRMVp vapvapvap ⋅⋅=⋅

⇒⋅=vap

aer

vap

aer

vap

aer

R

R

M

M

p

p

⋅=⋅==

..622,0

usakg

kg

p

p

p

p

R

R

M

Mx

aer

vap

aer

vap

vap

aer

aer

vap

⇒

⋅=

+=

satvap

vapaerB

pp

ppp

ϕ

⋅−

⋅⋅=

..622,0

usakg

kg

pp

px

satB

sat

ϕϕ

Ecuaţia Clapeyron pentru aer şi vaporii de apă:

•Entalpia aerului:( )

⋅+⋅+⋅=+=

....,..

usakg

kJtcrxtciiI vapusapvapusa

( )

⋅++⋅=

..863,12500006,1

usakg

kJtxtI

Diagrama I-x (Mollier) pentru aerul umed:

I = ct.

t = ct.

ϕ = ct.

pvap

ϕ = 100%

I

x

pvap

A

tA

ϕA

pvap,A

tum,Atr,A

xA

IA

..usakg

kJ

2

m

N

..usakg

kg

Bilanţul material al produselor supuse uscării:

•Ecuaţia generală:

+=h

kgWMM 21

[ ]%100⋅+

=WM

Ww

us

[ ]%100⋅=usM

Ww

[ ]%100

100100

a

a

us

us

us

w

w

M

WM

M

W

w+

⋅=⋅

+= [ ]%

100

100

w

ww

a

−

⋅=

•Umiditatea materialului:�raportată la toată masa sa: �raportată la masa materialului complet uscat:

•Cantitatea de material complet uscat:

( ) ( )

−

−⋅=

−

−⋅=

⇒

−⋅=

−⋅=

1

221

2

112

2211

100

100

100

100

100

100

100

100

w

wMM

w

wMM

h

kgwMwMMus

−

−⋅=−

−

−⋅

−

−⋅=

−

−⋅−

=−=h

kg

w

wwMM

w

wM

w

wwM

w

wMM

MMW

1

2122

1

22

2

211

2

111

21

100100

100

100100

100

+

−⋅

+

−⋅

=−=h

kg

w

wwM

w

wwM

MMW

a

aa

a

aa

2

212

1

211

21

100

100

•Cantitatea de umiditate eliminată din material:

⋅+⋅=⋅+⋅h

kgxL

wMxL

wM 2

220

11

100100

( )022211

100xxL

wMwMW −⋅=

⋅−⋅=

−==

kg

kg

xxW

Ll

02

1

•Bilanţul umidităţii în instalaţia de uscare:

Aer

L0

I0

t0x0

ϕ0

L1

I1

t1x1

ϕ1

L2

I2

t2x2

ϕ2

Material

M1, w1, θ1

M2, w2, θ2

Agent

încălzire

Ventilator

Calorifer

Calorifer

suplimentar

•Bilanţul termic al instalaţiei de uscare teoretice:

221100 ILILQIL ⋅=⋅=+⋅

.21210 ctIILLLL ==⇒===

( ) ( ) ( ) ( )02010201 IIlIIlqIILIILQ −⋅=−⋅=⇔−⋅=−⋅=

( )0000..,,0..,00 tcrxtciiI vapusapvapusa ⋅+⋅+⋅=+=

( )1111..,,1..,11 tcrxtciiI vapusapvapusa ⋅+⋅+⋅=+=

1010 ; rrxx ==

( ) ( ) ( ) ( )0110101101..,01 863,1006,1 ttxttttcxttcIII vusap −⋅⋅+−⋅=−⋅⋅+−⋅=−=∆

Ecuaţia bilanţului termic (teoretic):

Pentru instalaţia teoretică:

În condiţii teoretice:

ϕ1

pvap

ϕ = 100%

I

..usakg

kJ

x

..usakg

kg

pvap

2

m

N 0

t1

t0

t2

1 ϕ0

2

ϕ2

x0=x1 x2

I0

I1=I2

•Utilizarea diagramei aerului umed I - x:

•Bilanţul termic al instalaţiei de uscare reale:

Se consideră:•Pierderile de căldură în mediul ambiant;•Aportul suplimentar al caloriferului din camera de uscare;•Efectul termic al unor reacţii chimice;•Aportul de căldură necesar topirii umidităţii îngheţate în material;•Încălzirea agentului de uscare în ventilator;•Căldura necesară încălzirii materialului şi instalaţiei de transport.

�Procesul de uscare nu mai este izoentalpic

∆+=∆⇒

kg

kJ

l

qII 1

∆q = cantitatea de căldură pierdută sau primită suplimentar în procesul de uscare, pentru 1kg de umiditate evaporată, în kg/kg.

Ecuaţia bilanţului termic:

ptrtrm

trtrapamsupl

QcMcMIL

cMcWcMILQQ

+⋅⋅+⋅⋅+⋅=

=⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅+⋅++

22,22,222

11,111,200

θθ

θθθ

unde: 1,1111,2 θθθ ⋅⋅=⋅⋅+⋅⋅ umapam cMcWcM

Ipoteze considerate:�S-a presus că materialul şi dispozitivele de transport au aceleaşi temperaturi la intrarea şi respectiv ieşirea din camera de uscare.�Se consideră instalaţia etanşă LLLL ===⇒ 210

Dacă se presupune: trtrtrmmm cccccc ==== 2,1,2,1, ;

( ) ( ) ( )

( ) 1sup02

1sup

1212

2

02

θθ

θθθθ

⋅−−+++−⋅=⋅

⋅−−+

+−⋅⋅

+−⋅⋅

+−⋅==⇒

apalptrm

apalp

trtrm

cqqqqIIlW

cW

W

Q

W

Q

W

cM

W

cMII

W

L

W

Qq

Calculul instalaţiilor de uscare convective cu ajutorul diagramei I-x

0000 ,, ϕIxt ⇒

2222 ,, ϕIxt ⇒

a)Instalaţia de uscare teoretică

Pentru trasarea procesului în diagrama I-x este necesarsă se cunoască:

1. Parametrii agentului de uscare la intrarea în instalaţie; exemplu:

2. Unul sau mai mulţi parametri ai agentului de uscare după bateria (caloriferul) de încălzire: în general t1;

3. Unul dintre parametrii agentului de uscare la ieşirea din uscător; exemplu:

•Utilizarea diagramei aerului umed I - x:

ϕ1

ϕ = 100%

I

x

A

t1

t0

t2

B ϕ0

C0

ϕ2

x0=x1 x2T

D

I0

I1=I2

⋅=

−=

kg

kg

kDCxxl

xT 002

11

⋅

⋅=

−

−=

kg

kJ

kDC

kAB

xx

IIq

x

I

T 002

01

b) Instalaţia de uscare reală:Apar cantităţi suplimentare de căldură în camera de uscare:

( ) ( )ptrmapal qqqcqIIlq ++−⋅+=−⋅=∆ 1sup12 θ

t0

ϕ = 100%

I

x

A

t1

t2

B

C0

x0=x1 x2T

D0

I0

I1

E’0

E0

C

C’

x’2x2

I’2

I2

D

=−

>−

=

<

⇒∆

=⋅⇒>∆T

T

T

I lxxxx

l

xx

l

qkECq

0202

22

00 110

=−

<−

=

>

⇒∆

=⋅⇒<∆T

T

T

I lxxxx

l

xx

l

qkECq

0202

22

00 1

'

1

'

'0

( )002

01 >∆

⋅

⋅=

−

−= q

kg

kJ

kCD

kAB

xx

IIq

x

I

Variante ale uscării convective ale materialelora) Instalaţia de uscare cu recirculare

MaterialAgent

încălzire

Ventilator

Calorifer

Ventilator

recirculare

Camera

de uscare

Aer

nou

Aer

recirculat

A

M

C

t0 ϕ = 100%

I

x

A

t’1<t1

t2

B

C0

x0 x2T

D0

I0

I1

C

xa

m

x2

I2

D

t1

B’

M

⋅=

−=

kg

kg

kCDxxl

xamrec

11

2

↓

⋅

⋅=

kg

kJ

kCD

kMBq

x

I'

b) Instalaţia de uscare cu încălzire intermediară a aerului

Material

Agent

încălzire

Ventilator

Calorifere

intermediare

de încălzire

Camera de

uscare

AerMaterial

ϕ = 100%

I

x

A

t’1<t1

t0

t2

B

C0

x0 x2T

C’

I0

I1=I2

x’

D”

t1

B’

D’

B”( )

⋅+=

−+

−=

kg

kg

kDCDCxxxxl

xT "''

1

'

1

'

1

020

( )( )

tr

x

I

qqABBCAB

kg

kJ

kDCDC

kBCABq

1

0

"''

;"''

"''

=⇔=+

⋅+

⋅+=

c) Instalaţia de uscare cu recirculare

Ventilator

MaterialAgent

încălzire Calorifer

Condensat

Camera

de uscare

Aer

Condensator

ϕ = 100%

I

x

At0

t2

B

x0

I0

I1

C

x2

I2

D

t1

F

G

t’0

⋅=

−=

kg

kg

kCDxxl

xrec

11

02

⋅

⋅=

kg

kJ

kCD

kGBq

x

I

d) Instalaţia de uscare cu gaze de ardere în amestec cu aerul

Gaze de

ardere

Material

Ventilator

Camera de

uscare

Aer

rece A

K

C

FOCAR

Combustibil

M

( ) ( ) ( )( ) ( )

( )01

1,

011,

011,

II

IIMM

IIMIIM

IIMIIMM

gaumga

am

amgaumga

amgavapusga

−

−⋅=⇒

⇒−⋅=−⋅⇔

⇔−⋅=−⋅+

ϕ = 100%

I

x

A

t1

t0

t2

B

C0

x0 x2T

I0Iga

C

x1 x2

I2

D

tga

M

K

I1

D0

F

E

x

xTT

kCDxxl

kDCxxl

⋅=

−=<

<⋅

=−

=

11

11

12

0012

x

I

x

I

TT

kCD

kAF

xx

IIq

kDC

kAE

xx

II

x

Iq

⋅

⋅=

−

−=<

<⋅

⋅=

−

−=

∆

∆=

12

02

0012

01

Tipuri de instalaţii de uscare utilizate în industrie

−

;sup

;

;

;

raincalzitabur

arderedegazeaeramestec

arderedegaze

aer

;

;unesuprapresi

;

vidcu

cu

aatmosfericpresiunela

electrice;incalziriicazulincontactprin

ardere;degazecuamestecprin

suprafata;derrecuperatosaurepreincalzicu

1) După regimul de funcţionare: periodic sau continuu;

3) După presiunea de lucru din cameră:

4) După circulaţia agentului de uscare: naturală sau artificială;

2) După tipul agentului de uscare:

5) După modul de încălzire al agentului de uscare:

;

;

;

;

CIF

radiatie

conductie

convectie

;substante

;

;

absorbanteinchimicaabsorbtieprin

umedaeruluivaporiloracondensareprin

uscaredeagentulcutconcomiten

;

;

;

;

;

uscaredetambur

uscaredeturnuri

uscaredetuneluri

uscarededulap

cameratip

.

;

fluidizatstratin

pneumatice

6) După structura materialului supus uscării: solid, în bucăţi, plăci,

pulberi, granule;

8) După modul de evacuare a umidităţii din uscător:

9) După construcţie:

7) După modul de încălzire al materialului:

Instalaţii de uscare prin convecţie

a) Camerele de uscare:

•Sunt instalaţii cu funcţionare periodică cu circulaţie naturală sau forţată a agentului de uscare (aer sau amestec aer/gaze de ardere); Partea lor principală este camera dreptunghiulară, în interiorul căreia se aşează pe vagonete sau alte dispozitive materialul care trebuie uscat şi care rămâne nemişcat în timpul procesului de uscare.•Domeniul de utilizare: uscarea unor cantităţi mici de lemn (scânduri), placaj, industria alimentară şi ceramică;•Temperatura agentului de uscare: 60 - 250 °C;•Consumul de căldură: q = 6 000 -10 000 kJ/kg um.

b) Tunele de uscare:

•Sunt instalaţii cu funcţionare continuă sau semicontinuă; Partea lor principală este o cameră alungită, în interiorul căreia materialul care trebuie uscat se deplasează la intervale de timp bine determinate, în direcţie longitudinală; Deplasarea vagonetelor se face cu un dispozitiv mecanic sau hidraulic, care introduce şi scoate din uscător, după un anumit program, un vagonet; Agentul de uscare circulă în contracurent, având regim de curgere turbulent şi izoterm;

•Domeniul de utilizare: uscarea unor mari cantităţi de materiale;

•Temperatura agentului de uscare: 50 + 130 °C;

•Consumul de căldură: q = 5 000 +8 000 kJ/kg um.

c) Uscătoare cu bandă rulantă (sau cu transportor) :•Sunt instalaţii cu funcţionare continuă; Sunt formate dintr-o cameră în care materialul supus uscării se deplasează pe benzi în direcţii diferite; Ca agent de uscare se utilizează în majoritatea cazurilor aer cald;

•Domeniul de utilizare: bumbac, fire toarse, lână, legume,fructe, chibrituri;

•Temperatura agentului de uscare: 60 + 170 °C;

•Consumul de căldură: q = 5 000 + 7 500 kJ/kg um.;

•Cantitatea de apă eliminată: 50 + 150 kg/m zi;

•Consumul specific de energie electrică: e = 10 kWh/t apă ev.

d) Uscătoare turn:

Sunt instalaţii cu funcţionare continuă; Au un turn vertical în care materialul se deplasează sub acţiunea gravitaţiei; Agentul de uscare pătrunde prin particulele de material. Perioada de uscare de uscare: pentru turnul cu mişcarea liberă a materialului este de câteva secunde, iar pentru turnul cu şicane (mişcare încetinită a materialului) chiar de câteva ore.

•Domeniul de utilizare: uscarea sării, minereului, argilei, cerealelor, cărbuni concasaţi şi alte materiale sub formă de pulberi;

•Consumul de căldură: q = 5 000 + 6 500 kJ/kg um.

e) Uscătoare cu tambur:

•Sunt instalaţii cu funcţionare continuă; Au un tambur (cilindru) orizontal sau înclinat (< 6°), cilindric sau conic, care se roteşte cu o viteză de 0,5 + 8 rot/min;

•Domeniul de utilizare: uscarea materialelor în bucăţi, cărbuni concasaţi, nisip, argilă, piatra de var, minereuri, reziduri industriale de bere şi zahăr;

•Temperatura agentului de uscare (gaze): 600 -650 °C;

•Temperatura materialului: 70 -80 °C;

•Cantitatea de apă eliminată: 50-150 kg/m3 volum tanbur;

•Consumul de căldură: q = 3 500 – 5 000 kJ/kg um.;

•Consumul specific de energie electrică: e = 5 – 7 kWh/t apă evacuată.

f) Uscătoare tubulare:

•Sunt instalaţii cu funcţionare continuă; Au un tambur înclinat care se roteşte şi în care sunt mandrinate ţevi din oţel (100-118 mm), încălzite din exterior cu abur. În aceste ţevi se deplasează materialul ce trebuie uscat;

•Domeniul de utilizare: uscarea cărbunilor şi a materialelor cristalizate (industria chimică);

•Presiunea manometrică a aburului de încălzire: 1,5 + 3 bar; Cantitatea de apă eliminată: 2 - 4,5 kg/m ţeava;

•Consumul de căldură: q = 3 000 - 3 500 kJ/hg um;.

•Consumul specific de energie electrică: e = 5 - 6 kWh/t apă evacuată.

g) Uscătoare pneumatice:

•Sunt instalaţii cu funcţionare continuă; In tubul vertical are loc uscarea materialelor dispersate într-un curent de gaze în mişcare; Se elimină din material numai umiditatea liberă; Viteza agentului de uscare > viteza de plutire a particulelor de material;

•Domeniul de utilizare: uscarea cărbunilor concasaţi, iarbă tăiată şi frunzele legumelor, materiale cristaline;

•Viteza gazelor în tuburile pneumatice: 10 - 40 m/s;

•Durata uscării: 1 – 2 s;

•Consumul de căldură: q = 4 200 + 6 700 kJ/kg um.

h) Uscătoare cu pulverizare:Instalaţii cu funcţionare continuă care se bazează pe pulverizarea materialului lichid (soluţie), cu ajutorul unor injectoare sau discuri (ce se rotesc) montate în camera de lucru.Pentru intensificarea uscării —> suspensia se transformă prin pulverizare într-o ceaţă de picături cu f între 10 şi 150 mm.

Uscare prin pulverizare presupune:- pulverizarea suspensiei;- amestecarea agentului de uscare cu picaturile pulverizate;- schimbul de căldura si de substanţa între ele.

Pulverizarea- pneumatica (aer comprimat);- mecanica (ajutaje);- centrifuga (discuri.)

Domenii de aplicare:- industria alimentară (lapte praf, praf ouă, etc);-industria chimică (răşini, policloruri de vinii, -coloranţi, pigmenţi, etc.)

Schemele de lucru ale instalaţiilor cu pulverizare:- curent paralel (echicurent);- contracurent;curent mixt.

i) Uscătoare cu strat fluidizat:Strat fluidizat = fluidizarea unui strat granulat; granulele sunt puse pe o sită şi sunt aduse în strat fluidizat cu ajutorul unui jet granulele plutesc şi sunt menţinute într-o suspensie continuă

I - strat compact;II - strat umflat;III- regim intermitent;IV- primul stadiu al fluidizării;V - stadiul doi de fluidizare.

Procedee de alimentare şi colectare la uscătoarele cu fluidizare:Domeniul de utilizare: materiale foarte umede granulate, nelipicioase şi neconglomerabile (cărbune, nisip, silicaţi, gips);

Productivitate ridicată : 100 — 300 kg apă/m3h > celelalte uscătoare: 12-30 kg apă/m3h;

q - 3000 - 12000 kJ/ kg apă; e�

Instalaţii de uscare prin contact

a) Uscătoare cu valţuri

• Funcţionare: continuă

• Aplicaţii: uscarea soluţiilor, suspensiilor, etc.;

• Construcţia: unul sau mai multe valturi încălzite la interior.

b) Uscătoare cilindrice•Funcţionare: continuă•Aplicaţii: uscarea materialelor sub formă de benzi (textile,•hârtie, celuloză)•Construcţia: o serie de cilindri rotativi încălziţi, dispuşi•orizontal sau vertical

c) Uscătoare prin contact cu vid•Aplicaţii: uscarea substanţelor sensibile la temperaturi ridicate;•Temperatura de vaporizare a umidităţii din material poate fi redusă corespunzător cu profilul curbei de presiune patială q -l; Aq -l ; Cost T (pompă vid, instalaţie de condensare sub vid).

d) Uscătoare cu încălzire prin radiaţie•se aplică, îndeosebi, în cazul unor straturi superficiale (piesemetalice sau din lemn, hârtie, materiale textile, filmefotografice, etc);•radiaţii infraroşii (λ = 0,76 – 10 µ); •intensitatea de vaporizare creşte de 30 - 70 ori, comparativ cuinstalaţiile prin convecţie sau contact;•uscarea nu începe la suprafaţa liberă, ci la cea de contactdintre corpul de bază şi stratul acoperitor;•pot fi mobile sau fixe;

e) Uscătoare cu CIF•se compune dintr-un generator de înaltă frecvenţă acordat pefrecvenţa de rezonanţă şi se bazează pe proprietăţilemoleculelor de apă de a se repolariza rapid la aplicarea unorCIF;•se utilizează pentru materiale groase (grinzi, scânduri, piesemari ceramice sau de cauciuc);•staturile inferioare mai umede se încălzesc mai repede decâtcele de la suprafaţă, intensificând migrarea umidităţiimaterialului către suprafaţa acestuia (viteza de uscare semăreşte de zeci de ori);•consum mare de energie electrică (2,5 - 4 kWh/kg um.) =>scumpeşte uscarea de 3 - 4 ori, comparativ cu celelalte moduri—> uscarea combinată (CIF + convecţie sau radiaţie).

f) Uscătoare cu sublimare•uscarea produselor în stare îngheţată, fără trecerea prin starealichidă;•pentru apă: punctul triplu (t=0,0089 °C, p=609 Pa) —>încălzirea umidităţii solide la o presiune constantă inferioarăpunctului triplu —> trecerea umidităţii direct în starea gazoasă;•conservă proprietăţile biologice ale produselor supuse uscării—> industria chimică, farmaceutică, biochimică, alimentară.