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振动流化床干燥机设计方法分析说明

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振动流化床干燥机设计方法分析说明

信息来源:本站 | 发布日期: 2018-08-24 | 浏览量:
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一、振动流化床干燥机概述

1是ZLG振动流化床干燥系统示意图。ZLG是干燥系统的主体设备, 主要由以下几部分组成: 1、进出风机构,包括进风口、进风室及气体预分布器、气体分布板及出风口);2、床体,包括上下箱体及之间软连接, 两端进出料口;3、振动机构,包括振动电机、减振器、机架等,见图2。

 

ZLG型振动流化床干燥机的干燥原理与XF型卧式流化床干燥机相似, 处于流化状态的物料与热空气(或其他干燥介质) 进行充分的热量和质量传递, 并逐渐被干燥。其区别在于振动流化床干燥机由安装在主机两侧的振动电机提供激振力, 并通过调整振动电机的安装角度和偏心块的偏心距离,以可方便地改变垂直方向的振动幅度和水平方向的运料速度, 振动频率根据需要可配置定速交流电机或变频调节器进行调节。

1、工作原理  

振动流化床干燥机就是将机械振动施加于流化床上,物料因受机械振动和穿过床孔的高速气流双重作用而充分流化,并在振动作用下向前作活塞形式的移动,热介质利用对流、传导、辐射等方式向料层供热,^终达到物料干燥目的。由于物料输送是由振动来完成,供给的热风只是用来传热和传质,因此可以明显降低能量消耗。由于床层强烈振动,传热和传质阻力减小,提高了流化床的干燥速率;同时,不易流化或流化时易产生大量夹带的块团性或高分散物料也能得到顺利干燥,克服了普通流化床干燥容易产生返混、沟流、粘壁等现象。

2、设备特点

振动流化床干燥机在主机两侧安装有振动电机以提供激振力,由于振动电机的安装角度及振动电机上偏心块之间的距离可以调节, 从而可以调整机器运行时的振动幅度和物料运行速度,控制物料停留时间。与普通流化床干燥机相, 具有如下优点:

(1) 降低了流化速度, 从而大大降低能耗, 与普通流化床相比, 可节能30% 以上。

(2) 颗粒表面损伤小, 可用于易碎物料的干燥。

(3) 可调性好, 适用面宽。料层厚度、物料移动速度及振幅等均可调节, 合要求晶形完整、晶体光亮、粒径分布较宽场合的物料干燥, 如癸二酸、柠檬酸、硫脲等, 也适合易粘结成块的物料如硝铵、白炭系列、PZG系列、LZG系列、WZG系列、ZW系列的干燥。

振槽面积可0. 84~ 23. 6㎡, 振动频率一般为16. 67Hz,也有25Hz、50Hz, 工作频率差为±0. 3Hz。振幅有0~ 3. 2mm、0~ 5mm、1. 4~ 3. 2mm (可调) , 激振角为0~ 90°(可调)。 

(4) 流态化均匀稳定,可获得干燥均匀的产品。

3 研发应用

    振动流化床干燥机,因其优异的性能,目前已广泛应用于国民经济各行各业。自六十年代以来,原苏联学者发表了对振动流化床干燥机的报告,此后,东欧、加拿大等国学者做了大量探索。国内振动流化床干燥机的理论研究于1986年上海召开的全国第二次干燥技术交流会开始,才陆续有了振动流化床干燥机研究的论文发表。随后,许多单位建立起了初具规模的小型或已接近工业振动流化床的实验装置,对该技术各个方面展开了系统的研究和探讨。铁岭精工(集团)股份有限公司^与1983年建起了我国第一套用于实验目的的小型工业试验装置,并随后开发了系列工业用振动流化床干燥机。多所高等院校及科研单位,如天津轻工业学院、上海化工研究院、中国农业大学等也分别安装了形式各异的的试验装置,对振动流化床的各种参数及其干燥速率的影响进行了实验研究,并开发了各具特色的工业振动流化床干燥机。

振动流化床的研究在流体力学、传热、传质方面已有大量报导,但对机械结构、刚度和强度方面的研究仍不充分,此外对该机种的模拟放大问题仍主要根据经验,理论研究较滞后。

振动流化床作为一种成功的改型流化床,并在近30年的时间里获得了突飞猛进的发展。国外好多国家相继将其应用于工业生产,国内也有好多企业将其应用在制糖和乳品干燥上。到了80年代,我国的振动流化床的生产与应用进入了高速发展阶段,相继出现了一些专业化大规模生产振动流化床的工厂。从1982年开始至今,平均每年向社会推出200台这种干燥机,应用的行业也由开始时制药、乳品等行业发展到轻工、化工、饮料、食品、矿冶、饲料、化肥、种子等行业。

4、设备分

振动流化床可以分为直线型振动流化床、螺旋形振动流化床以及曲柄摇杆式振动流化床等。

二、振动流化床干燥机热工计算方法

振动流化床干燥机的设计与热工计算中,一般须首先确定一些基本参数,如物料密度rs,热风入口温度tg1及排气温度tg2、操作气速u0、干燥时间td、物料温度tm、料层初始高度H0以及其他振动参数等,下面是其主要热工计算方法。

1、物料中应去除湿分的总量w  

G1表示物料处理量(kg/h);G2表示产量(kg/h);干燥过程中始终不变的绝干物料产量为Gdkg/h);则他们的关系为:

Gd=G1(1-w1)=G2(1-w2)                (2.1)

w=Gd(X1-X2)                             (2.2)

式中,w1为湿料含水量(%),w2为产品含水量(%)X为干基含水量(kg/kg);w为干燥过程蒸发的水分(/h)。

     2、干燥需要的热量Q  

设物料自tm1预热至空气湿球温度tw需热量Q1tw时蒸发水分需热量Q2(假设全部水分均在tw是蒸发);物料由tw升至温度tm2需要热量Q3

则有Q=Q1+Q2+Q3, 其中

Q1=Gd (cs+cwX1) (tw–tm1)                  (2.3)

Q2=Wgw                                     (2.4)

Q3= Gd(cs+cwX2)(tm2- tw)                   (2.5)

式子中,cs为干燥物料的比热容,kJ/(kg℃);cw为水的比热容,kJ/(kg℃);tm2为排料温度,℃; gw为水在tw时的蒸发潜热,kJ/kg;X1为原料湿含量,(干基)kg/kg;X2为产品湿含量,(干基)kg/kg。

3、需要空气量Gg和体积Vg

Gg=1.15Q/cg(tg1-tg2)(热损15%)             (2.6)

Vg= Gg/rg                                 (2.7)

式子中,tg1tg2进气、排气温度,℃;cg为空气比热容,kJ/(kg℃);rg为空气密度,kg/m^3(此处按进气温度计)

     4、由热平衡确定的床层面积S

S=Vg/3600u0                               (2.8)

式子中,u0为空床气速,m/s。

 5、由产量要求和干燥时间确定床层面积  

用式S=Vg/3600u0计算确定床层面积时,没有考虑物料在传热传质方面的差异,因而,还应通过试验找到必须的干燥时间td,依照规定产量要求来确定床层面积。

设单位时间的干燥处理量为Gm、床层初始高为H0、物料堆密度为rm 、运动速度为us、床宽为B,长为L,则有

            Us=Gm/BH0rm3600                         (2.9)

            L=ustd                                  (2.10)

            S=LB= Gmtd/3600H0rm                     (2.11)

td是在振动流化床工况下实验得出的,它表达了物料在一定条件下的传热传质规律,但这些数据会在工业应用中有很大的实际差距,一般应比较两种方法计算的面积,取其大者作为^终结果。不过,当用td和产量计算的面积小时,须对热平衡计算的条件予以修正,否则,提供给干燥机的热量可能不足。

 6、排气湿度计算  

设进气湿度为y1,排气湿度为y2,则有

y2=y1+w/Gg                      (2.12)

再由t-x图上查出该湿度下的露点温度,判断是否有结露的可能。如排气已接近饱和,须对热工参数做必要调整。

 7、热效率hh计算

热介质的总热量只有一部分在干燥机内释放,其余作为废气排出系统外。在干燥机内释放的热量与总热量之比称为热效率,显然,热效率是干燥机重要的性能指标。

hh=(tg1-tg2/( tg1-tg0)                  (2.13)

式中,tg0为大气温度,℃。

由上式看出,提高进风温度、降低排气温度是提高热效率的重要途径。在生产应用中,适当提高料层厚度能够获得较高热效率,是因为不仅可以采用较高进风温度,而且热风在料层中路径较长,放热充分,排气温度也可降低。一般振动流化床的热效率在30%--60%之间。

三、振动流化床干燥机的结构设计

1、振动机构的设计

① 振动方式的选择。振动方式可以分为强制振动型和固有振动型,它们各有特点,本处仅介绍强制振动型即采用振动电机振动的设计方法。

强制振动型流化床利用安装在机体两侧的振动电机产生直线振动,振动电机的安装角度决定振动方向角,改变固定偏心块和可动偏心块之间的夹角即可调节激振力大小。由于振频通常高于固有频率,起动和停车时通过共振区时,机体会产生较大振幅,尤其在停车时,剧烈的摇晃会产生很大的冲击力,应采用适当措施减轻这种现象的发生。

② 振动电机选配和安装。振动流化床正常运行时由两台电机合成振动而实现,因而要求两台振动电机必须严格同步。现场安装前,应选择同一厂家生产的同一型号电机,测定的性能曲线须接近或相同,异步转速相近,轴与轴承、密封之间的摩擦阻距相等或相近。选配好振动电机后进行装机试验时,当偏心角相等时,主机不得有较大横向振幅。

振动电机安装位置应放在床体中间,电机座板可在180度范围调整,因而激振角可按需要进行调节。由于电机位置接近质心,应当调整机体前后平衡,从而保证振动流化床进料端与排料端振幅相同。

③ 振幅调整。两台振动电机的四组偏心块的相对位置决定主机振幅。一般振动电机在轴头或其他部位标有刻度,指示出可动偏心块和固定偏心块之夹角。调整振幅时须依照振动电机的操作说明来调节。

④ 振动方向角δ调整。 电机安装在电机座板上,电机座板与下箱体法兰用24个螺栓连接在一起,每两孔夹角15°,调整电机座板与下箱体法兰的安装位置,即可改变振动方向角。Δ的调整必须两台电机同步调整,确保同一高度。

2、下箱体设计

① 上箱体  上箱体将干燥区与外部大气分隔,防止粉尘外逸污染环境。上箱体与床层同宽,高度与普通流化床相似。基于降低参振质量的目的,上箱体通常设计为薄壁结构,壁厚2-4mm,并焊接加强筋加固。

② 下箱体  下箱体是主机机体和热风分配室,它和分布板共同完成将热风均匀送入床层的任务,下箱体进风面积为分布板的6-8倍。

     3、气体分布板  

气体分布板用来支承物料,并将热风均匀分布于料层中。分布板的压降△p1是气体通过分布板的阻力,与孔径和孔速有关。

当由热平衡计算确定出风总量后,一般进风速度便可确定,于是可由相关公式计算出分布板压降和小孔风速uh

查资料得出孔速和分布板的压降的一组数据列于下表2.1中。

分布板开孔率  是分布板的重要特征参数,由下式确定

f=Sh/S=u0/uh                                 (2.15)

式中Sh为分布板开孔面积,㎡;S为分布板面积,㎡。

设计中开孔率为1%~5%,其下限常用于颗粒较细、密度较小的物料。当在多孔板下加设均风和防漏网时,开孔率可取7%~8%。加上编织网后床层压降无明显变化, 而在实际生产中可有效地防止漏料。

2.1

孔直径/mm

压降/mmH2o

U=20~22m/s

压降/mmH2o

U=30~35m/s

1~1.5

1.6~2.0

2.2~2.5

2.6~3.0

3.1~3.5

3.6~4.0

54~50

50~48

47.5~45.5

45~42

41.5~38

37.5~35

58~55

54.5~51.5

51~48

47.5~44.5

44~43.5

43~


     4、
料层厚度控制  

部分振动流化床干燥机,料层厚度是由给料量、振动参数以及风量等因素确定,一旦这些参数调整好后,料层厚度即确定,操作过程中不再采用其他方式控制料层厚度,这类干燥机操作弹性较小。如在干燥机的排料端加装控制堰,这便是料层可控的振动流化床。通过调整手柄,可方便地调整控制堰板的上沿高度,以及堰板下沿与分布板的间隙。当物料颗粒均匀、干湿状态密度有较大差异时,可使堰板下沿贴近分布板,利用上沿高度控制料层厚度,干燥完好的物料因浮在床层上部,依溢流方式排出机外。当物料粒度差异较大或干湿状态密度变化不大时,不能采用溢流排料,此时,调整堰板下沿与分布板间隙以及堰板上沿高度,利用堰板的节流作用调整料层厚度及排料速度。

一般料层可控的振动流化床,较易控制物料在床层中的停留时间。

     5、影响物料停留时间的因素  

物料的平均停留时间受风速、床高、振动强度、激振角度大小的影响。

① 热空气对物料仅提供垂直向上的作用力, 风速的变化对物料的平均停留时间影响极小;

② 风量及振动条件一定, 床层高度对物料平均停留时间的影响也较小;

③ 振动强度对物料平均停留时间有很大的影响, 振动强度减小, 物料的平均停留时间增长。

④ 振动电机的偏振角越大,物料在平均停留时间就越长

        四、激振力和振源电机功率确定

        激振力与参振质量、振动参数有关,受热风参数影响甚微,可参照振动输送机计算方法确定。这类机器,一般用两台性能相近的振动电机安装在机体两侧,每台振动电机的激振力应为0.5F。因目前工业上使用的振动电机均已系列化、标准化,故可按计算出的激振力在现有型号中找到相应的电机功率,所以不对激振电机另行计算。

五、重视设计中的环保措施

1、隔振设计及传给地基的动载荷

① 隔振设计  所谓隔振,就是用刚度较小的弹簧将振动流化床支承起来,如将隔振系数定义为传给地基动载荷与参振机体惯性之比,则可通过隔振系数的大小判断隔振效果,按经验,一般在0.25~0.01之间隔振系统能满足工作需要,为此,可按下式计算隔振簧刚度

   Ky=fc·mj·w2=(0.25~0.01)mjw2               (2.19)

式中,Ky为垂直方向的隔振刚度,kg/cm;mj为振动质体计算质量,kg·s2/cm。

为避免在机器工作和启动停车过程中,隔振簧产生冲击或脱离机体,它的^大动变形量应小于静变形量。据经验,^大动变形量一般为垂直振幅Ay3~7倍,因此,Ky还应满足下式

             KyM/(3~7)Ay                               (2.20)

式中,M为总参振质量,kg。

② 隔振簧选择及刚度、强度计算(略)

③ 传给地基动载荷  设隔板簧传给地基铅垂方向动载Pdy,水平方向动载Pdx,则:

              Pdy=ky·A·sinδ                                (2.21)

             Pdx=Kx·A·cosδ                              (2.22)

2、降低噪音措施 

国家环保法规定工业机器的噪音不能大于85dB,正常的振动流化床应运转平稳,无异常振动噪音,用声级计在机器周围1.5m范围内测定,为此,振动流化床在设计时必须充分考虑降低噪音的技术措施。查资料得出,下述方法对降噪是行之有效的。

① 合理选择振频,一方面尽量避开共振区,另一方面还要满足振动强度在合理范围内,通常认为工作振频是机器自振频率的2~4倍是合理的。并且选用性能优异,噪音低的振动电机,在允许情况下可适当调低振动电机振幅。

② 应设法提高上下箱体及分布板在振动方向上的刚度,以避免产生弹性弯曲振动,使噪音加大。如有产生较大弹性弯曲振动现象,可适当改变振幅或焊装加强筋。

③ 橡胶簧传递声音阻力比金属簧大,隔音效果好,工作噪音低,隔振簧如破损、变性或参数不符要求,应调整更换。

④ 适当选择保温材料及施工方法,可提高弹性振动阻尼,降低噪音。

⑤ 检查整机有无连接松动、损坏部位,如有则应予以加固修复。

⑥ 主机每个侧面,尤其安装电机一侧,离墙壁距离^好大于2~2.5m。安装场地空间不能太小,在墙壁上装设吸音材料对降低噪音有效。

3、防止粉尘污染  

振动流化床干燥机系统需有气固分离设备,系统排出气体应符合环保规定。主机设计时须考虑粉尘排放的各种因素,降低气固分离设备负荷。

① 适当提高上箱体分离段高度,使细粒级物料有足够的时间沉降下来。

② 改进上箱体设计结构,能使排气附近气速明显降低,有利粉尘沉降。

③ 可将进料口、排料口设计成封闭式,防止粉尘外逸。

④ 保持上箱体微负压操作,应保证开式进料口、排料口附近区域微负压。

六、规范操作,总结和完善操作经验

(1) 振动参数的选择一般须留有调节余地。例如, 对辽宁精工干燥公司的设备, 选择振幅在2. 5mm 左右, 调试时可依据情况适当变化,但不可使振幅过小, 以致K值过低, 起不到应有的作用。激振角以接近90°较好, 可增加物料的停留时间。对于特别易干燥的物料, 激振角可适当减小。

(2) 风机能力要配套, 要保证干燥器中处于微负压操作, 以避免过多的粉尘飞扬。

(3) 风量适宜使物料能形成良好的流化状态。从观察窗上应看到物料上层界限清楚, 机内可见度良好。必要时改变振动参数, 从而获得良好的流化状态。

(4) 给料要尽可能连续、均匀地布满床面。

(5) 大型干燥机出口处设置冷风段, 有利于产品及时包装, 但要采取措施, 避免串流现象严重而降低热效率。

(6) 重视设备调试, 优化操作规程, 可以弥补设计不完善而引起的误差影响。

 

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