Vernevelingsdrogen Warmte- en Massabalansberekening : stap voor stap

1. Vernevelingsdroger warmte- en massabalans

Vernevelingsdrogen is een droogproces dat veel toepassingen heeft gevonden in verschillende industrieën (voedsel, farmacie, chemie...). Als een droogproces is het van nature een grote verbruiker van energie. In een wereld die wordt gekenmerkt door globale opwarming en die steeds schaarser zal worden in natuurlijke hulpbronnen, is het optimaliseren en verbeteren van de efficiëntie van industriële processen kritisch, zo niet alleen een kwestie van overleven op lange termijn. Bedrijven die producten produceren door vernevelingsdrogen moeten daarom de thermische efficiëntie van hun vernevelingsdrogers verbeteren om economisch te zijn en de impact op het milieu zo veel mogelijk te verminderen.

Warmte- en Massabalans is het instrument dat ingenieurs ter beschikking hebben om de hoeveelheid warmte die de droger binnenkomt te berekenen, de hoeveelheid warmte die de droger verlaat, en zo de efficiëntie te berekenen. Vanuit de berekening en analyse van elke stroom, kunnen aanbevelingen worden gedaan om de thermische efficiëntie van een droger te verbeteren.

Let op dat deze pagina een werk in uitvoering is, het zal binnenkort worden bijgewerkt

2. Vernevelingsdroger warmte- en massabalansberekening

Alle warmte- en massabalans begint met het definiëren van het onderzochte systeem, met inlaat- en uitlaatstromen. Een eenvoudige enkelvoudige vernevelingsdroger wordt weergegeven in de onderstaande tekening :

Met :

Ga = droge luchtinlaatmassastroom (kg/h)
Ta1 = temperatuur van de hete lucht die de droger binnenkomt (c)
Qa1 = enthalpie van inlaatlucht (J/kg)
H1 = absolute luchtvochtigheid inlaatlucht (kg water / kg droge lucht)

Ta2 = temperatuur van de lucht die de droger verlaat (c)
Qa2 = enthalpie van uitlaatlucht (J/kg)
H2 = absolute luchtvochtigheid uitlaatlucht (kg water / kg droge lucht)

Ms = droge vaste stof invoerdebiet (kg/h)
Ts1 = temperatuur van de invoer (c)
Qs1 = enthalpie van de invoer (J/kg)
Ws1 = vochtigheid van de invoer (kg water / kg droog product)

Ts2 = temperatuur van de uitlaatvaste stof (c)
Qs2 = enthalpie van de inlaatvaste stof (J/kg)
Ws2 = vochtigheid van de uitlaatvaste stof (kg water / kg droog product)

Er wordt aangenomen dat er geen vaste stof de installatie verlaat met de luchtstroom, wat niet geheel correct is, vooral wanneer cyclonen worden gebruikt als vaste stof/gas-scheidingsapparatuur, het is waarschijnlijk dichter bij de realiteit wanneer zakfilters worden gebruikt.

Alle balansen volgen dit principe :

Invoer + productie = Uitvoer + Opbouw

2.1 Massabalans

Een massabalans kan worden gedaan op water (vochtigheid). De droger wordt verondersteld te zijn gestart voor een tijdje en in een stabiele fase (geen opbouwterm in de balans), er is ook geen vochtigheidsproductie in de droger, wat betekent [invoer = uitvoer] :

Invoer :

• Water in lucht (kg water / h) : Ga (kg droge lucht / h) * H1 (kg water / kg droge lucht)
• Water in invoer (kg water / h) = Ms (kg droge vaste stof / h) * Ws1 (kg water / kg droge vaste stof)

Uitvoer :

• Water in lucht (kg water / h) : Ga (kg droge lucht / h) * H2 (kg water / kg droge lucht)
• Water in uitlaatvaste stof (kg water / h) = Ms (kg droge vaste stof / h) * Ws2 (kg water / kg droge vaste stof)

Wat resulteert in :

Ga*H1 + Ms*Ws1 = Ga*H2 + Ms*Ws2

Ms*(Ws1-Ws2) = Ga*(H2-H1)

2.2 Warmtebalans

De warmtebalans wordt ook gedaan op een droger die verondersteld wordt in een stabiele toestand te zijn (geen opbouwterm), er is ook geen productie van warmte in de droger (lucht en invoer worden van tevoren opgewarmd), echter moet een verliesterm worden meegenomen vanwege warmte die ontsnapt via de wanden van de droger.

Invoer :

• Warmte-invoer met lucht (W) : Ga (kg droge lucht / h) / 3600 * Qa1 (J / kg droge lucht)
• Warmte in invoer (W) = Ms (kg droge vaste stof / h) / 3600 * Qs1 (J / kg droge vaste stof)

Uitvoer :

• Warmte-uitvoer met lucht (W) : Ga (kg droge lucht / h) / 3600 * Qa2 (J / kg droge lucht)
• Warmte in uitlaatvaste stof (W) = Ms (kg droge vaste stof / h) / 3600 * Qs2 (J / kg droge vaste stof)
• Warmteverlies (W) = QL

Wat resulteert in :

Ga*Qa1 + Ms*Qs1 = Ga*Qa2 + Ms*Qs2 + QL

2.2.1 Berekening van de enthalpie van vochtige lucht

De enthalpie van de vochtige luchtstroom kan worden berekend met de volgende formule :

Qa = Cs*(ΔT) + H.λ

Met :

Qa1 = enthalpie van vochtige lucht (J/kg)
Cs = specifieke warmte van vochtige lucht (J/K/kg droge lucht)
ΔT = T - T0 = verschil tussen de werkelijke temperatuur en referentietemperatuur (K)
H = absolute luchtvochtigheid lucht (kg water / kg droge lucht)
λ = verdamppings-enthalpie bij referentietemperatuur (J/kg)

De referentietemperatuur wordt vaak genomen als het vriespunt van water (T0 = 273 K)

In de praktijk, vochtige luchtberekeningsformule bij 273 K :

Qa = (1005 + 1884*H).(T-273) + 2.5023.10⁶.H

2.2.2 Vaste stroom enthalpieberekening

De enthalpie van de vaste stroom kan worden berekend met de volgende formule :

Q_s = Cp_ds*(ΔT) + W_s*Cp_w*(ΔT)

Met :

Q_s = enthalpie van vochtige vaste stroom (J/kg)
Cp_ds = specifieke warmte van droge vaste stof (J/K/kg)
ΔT = T - T₀ = verschil tussen actuele temperatuur en referentietemperatuur (K)
W_s = vochtigheid van de stroom (kg water / kg droog product)
Cp_w : specifieke warmte van water (J/K/kg)

3. Thermische efficiëntieberekening van een spuitdroger

De bewerking van belang in een spuitdroger is drogen. De thermische efficiëntie van de spuitdroger wordt dus geschat door de hoeveelheid warmte te berekenen die daadwerkelijk wordt gebruikt voor het verdampen van water en door deze te vergelijken met de totale warmte die aan de droger wordt toegevoerd.

Thermische efficiëntie = (warmte gebruikt voor verdamping) / (totaal warmte-input van de droger)

3.1 Algemene thermische efficiëntie

De algemene thermische efficiëntie kan worden geschat dankzij de temperaturen van de luchtstromen :

Met :

T₀ = atmosferische temperatuur van inlaatlucht voor verwarming (c)
T₁ = verwarmde inlaatluchttemperatuur (c)
T₂ = uitlaatluchttemperatuur in geval van adiabatische werking (c)

De temperatuur T₂ moet worden afgelezen op een psychrometrische diagram. Definieer de verwarmde luchtcondities (droge boltemperatuur, absolute luchtvochtigheid), volg dan de lijn van constante enthalpie totdat de verzadigingscurve. De temperatuur op de verzadigingscurve is T2.

In het onderstaande voorbeeld, lucht bij 15c (T₀) en 5 g water / kg droge lucht absolute luchtvochtigheid wordt opgewarmd tot 45c (T₁). Er is geen verandering in absolute luchtvochtigheid tijdens het opwarmen. In de droger, zal de lucht worden afgekoeld en zal vocht opnemen (aangezien het de vaste stoffen zal drogen), als de werking adiabatisch was, zou er geen energie worden uitgewisseld met de buitenwereld, wat betekent dat het zou worden gedaan bij constante enthalpie. Temperatuur T₂ kan dan worden bepaald door de lijn van constante enthalpie te volgen totdat de verzadigingscurve. (volg A -> B -> C -> T₂ op het voorbeeldgrafiek)

3.2 Evaporatieve efficiëntie

De evaporatieve efficiëntie kan worden geschat dankzij de temperaturen van de luchtstromen :

Met :

T₀ = atmosferische temperatuur van inlaatlucht voor verwarming (c)
T₁ = verwarmde inlaatluchttemperatuur (c)
T_sat = adiabatische verzadigingstemperatuur (c)

De temperatuur T_sat moet worden afgelezen op een psychrometrische diagram.

3.3 Energetische Specifieke Consumptie (ESC)

De ESC wordt gedefinieerd als de verhouding van verbruikte energie in de droger, tot de hoeveelheid water die is geëvaporeerd. Het wordt uitgedrukt in kJ/kg (van geëvaporeerd water).

Met :

ESC = Energetische specifieke consumptie (kJ/kg)
ΔH = energie verbruikt in het spray droogproces (kJ/h)
m_water = massastroom van verdamp water (kg/h)

4. Experimentele metingen

Om de warmte- en massa-balans van een spray droger te kunnen voltooien, is het nodig enkele procesparameters te meten, meestal :

• De massa-stroom van de voeding (kan worden gemeten dankzij een debietmeter)
• De totale vaste stoffen van de voeding (TS - kan worden bepaald door bemonstering van de voeding)
• De voedingstemperatuur (temperatuursensor)
• De temperatuur van de omgevingslucht (gebruik van een temperatuursensor)
• De luchtvochtigheid van de aangevoerde omgevingslucht
• De temperatuur van de hete lucht
• De temperatuur van de luchtafvoer

Het is vervolgens mogelijk de warmte- en massa-balans te berekenen vervolgens de energetische efficiëntie van de spray droger te bepalen.

5. Gratis Excel berekeningshulpmiddel : Spray Dryer Warmte- en Massa-balans (HMB)

U kunt toegang krijgen tot een gratis warmte- en massa-balans calculator in Excel om de bovenstaande spray droog warmte- en massa-balans berekening uit te voeren : Spray Droog Warmte- en Massa-balans download (klik hier !)

Waarschuwing : deze calculator wordt verstrekt om de in deze webpage genoemde concepten te illustreren, zij is niet bedoeld voor detailontwerp. Het is geen commercieel product, er wordt geen garantie gegeven op de resultaten. Raadpleeg een gerenommeerde ontwerper voor al het detailontwerp dat u nodig heeft.

---

Bron
Spray drogen, K. Masters, Leonard Hill Books, 1972, pagina's 54-64