Расчет сушильной установки
ВВЕДЕНИЕ
Сушкой называется термический
процесс удаления из твердых материалов или растворов содержащейся в них влаги
путем ее испарения.
Изделие или материал приходится
сушить в зависимости от их назначения для разных целей. Твердое топливо,
например, подсушивают для повышения теплоты сгорания, улучшения процесса
горения, древесину - для увеличения прочности, предохранение от гниения и
плесени, различные другие изделия - для облегчения обработки, увеличения
долговечности, предотвращения сжатия, искривления и растрескивания. Ряд
материалов подвергается сушке для уменьшения их веса и тем самым удешевления
транспортировки, изменение физических свойств (например, уменьшения
теплопроводности).
Перечень материалов, подвергающихся
в процессе их обработки также и сушке, чрезвычайно велик. Глубина обезвоживания
материала в каждом отдельном случае определяется многими причинами.
В некоторых случаях перед сушкой
материалов целесообразно предварительное обезвоживания их механическим или
физико-химическим способом.
Механическое обезвоживание
материалов более экономно, чем тепловая сушка, однако оно применимо только для
материалов допуска, допускающих деформацию (торфяная масса, текстиль, шерсть и
т.д.). При этом одно механическое обезвоживание материала в большинстве случаев
является недостаточным, так как оно обеспечивает только частичное удаление
свободной влаги. Потому часто комбинируются различные способы удаления влаги.
Сушку материалов можно производить
естественным и искусственным путями. Естественная сушка обычно производится на
открытом пространстве, под навесами или в специальных сараях и представляет
собой процесс, при котором сушильный агент (воздух), поглотивший пары влаги,
отводится из зоны сушимого материала. Она производится за счет тепла наружного
воздуха и применяется при массовой обработке дешевых влажных материалов,
например глины, песка, торфа, дров, пиломатериалов, и т.п., и имеет еще
значительное применение в народном хозяйстве.
Недостатками естественной сушки по
сравнению с искусственной (в сушильных установках) являются большая
продолжительность, зависимость ее от времени года и состояния наружного
воздуха, необходимость большой территории для размещения материала.
Искусственная сушка материалов
производится в специальных устройствах-сушилках, в которых сушильный агент,
поглотивший пары влаги, отводится искусственным способом: при помощи
вентиляторов, инжекторов, вытяжных труб и других устройств. Искусственная сушка
в большинстве случаев осуществляется горячим воздухом.
Распыливающие сушилки непрерывного
действия применяются для сушки молока, яиц и различных жидких растворов. Они
представляют собой камеру, внутри которой сушка материала происходит в
распыленном состоянии. Распыливание достигается при помощи механических и
пневматических форсунок или быстро вращающегося диска, помещенных внутри
сушильной камеры.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Производительность Gк=40000 кг/ч.
Влажность материала
(дрожжи): начальная
конечная
Сушильный агент -
дымовые газы, природный газ.
Температура сушильного
агента:
РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО
БАЛАНСА ПРОЦЕССА СУШКИ
Количество испаренной в
сушилке влаги:
Количество влажных
дрожжей поступающих в сушилку:
Количество влаги в
материале до сушки:
Остаточная влага в
материале:
Проверка:
Количество абсолютно
сухой массы материала:
ТЕХНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
СУШИЛКИ
сушилка циклон
вентилятор
Принимаем объёмное
напряжение сушильной камеры по влаге:
Тогда объём сушильной
камеры:
РАСЧЕТ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА
Состав топлива на
рабочую массу (природный газ):= 0,4%; CH4 = 81,7%; C2H6 = 5%; C3H8 = 2%; C4H10
= 1,2%; C5H12 = 0,6%; H2S = 0,6%; N2= 8,5%.
Принимаем коэффициент
избытка воздуха
Тогда теоретическое
количество азота в продуктах сгорания можно подсчитать по формуле:
Теоретический объем
водяных паров в продуктах сгорания:
Теоретический объем
трехатомных газов в продуктах сгорания:
Теоретически необходимое
количество сухого воздуха на горение топлива:
Количество атмосферного
воздуха при D0=10,6 г/кг:
Действительное
количество сухого воздуха:
Действительное
количество атмосферного воздуха:
Тогда общий объем
продуктов сгорания можно подсчитать по формуле:
Состав продуктов горения
по компонентам:
Влагосодержание
продуктов горения:
.
Энтальпия продуктов
сгорания:
.
Принимаем ηтоп
=0,9,
Энтальпия воздуха при
комнатной температуре ,
Входящая температура
топлива ,
Удельный объем влажного
воздуха ,
Действительное
количество влажного воздуха,
Из диаграммы
определяем: г=1500o C при .
РАСЧЕТ УДЕЛЬНЫХ РАСХОДОВ
ТЕПЛОТЫ И ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ НА ПРОЦЕСС СУШКИ
Расчет ведем
графоаналитическим методом с использованием i-d диаграммы влажного воздуха.
Подсчет потерь теплоты
практического процесса сушки
На подогрев сухой массы
материала:
,
где Gc - часовое
количество абсолютно сухого материала. Согласно материальному балансу Gc = 788
кг/ч;
сc - теплоемкость по
массе абсолютно сухих дрожжей, по справочным данным равная Сс = 0,987
кДж/(кг·°С);- часовое количество испаренной влаги; W = 1451 кг/ч;`1 и t``1 -
соответственно температура дрожжей поступающих в сушилку и выгружаемых из нее:
t`1 = 200 °С, t``1 = 120 °С.
Подставляя числовые
значения в формулу, получаем:
.
На подогрев остаточной
влаги:
,
где W``вл.м. - масса
остаточной влаги. Согласно материальному балансу:``вл.м. = 12 кг/ч.
.
В окружающую среду через
ограждающие конструкции - перекрытие, цилиндрическую и конечную части башни.
Сушилку монтируют вне здания.
Тепловой поток через
плоскую часть перекрытия сушилки, представляющую собой оребренные панели,
выполненные из листовой стали толщиной δ1 = 6
мм с изоляционным слоем минеральной ваты толщиной δ2
= 300 мм. Площадь перекрытия составляет:
Коэффициент теплоотдачи
принят: от внутренней среды к поверхности ограждения α1
= 23,2 Вт/(м2·°С); от наружной поверхности ограждения в окружающую среду α2
= 17,4 Вт/(м2·°С).
Теплопроводность
принимаем по справочным данным: стали λ1 = 58 Вт/(м·°С),
ваты λ2 = 0,08 Вт/(м·°С).
Коэффициент общей
теплопередачи:
.
Температура
теплоносителя под перекрытием по опытным данным tвн = 170 °С, а температуру
наружного воздуха принимаем tн = 20 °С. Тогда тепловой поток через перекрытие
составит:
Тепловой поток через
ребра перекрытия.
Суммарная длина ребер
120 м, их толщина 8 мм и средняя высота δ = 0,3
м.
Суммарная площадь
поверхности в направлении теплового потока:
.
Тепловой поток через
ребра:
.
Тепловой поток через
гладкую поверхность цилиндрической части ограждения конструкции.
Цилиндрическое
ограждение собрано из панелей, состоящих из листовой стали с изоляцией
минераловатным слоем толщиной δ = 0,2 м. В связи с
исчезающе малым значением теплового сопротивления стальных листов в сравнении с
остальными слагаемыми в дальнейших расчетах им пренебрегаем.
Площадь боковой
поверхности цилиндрической части:
.
Коэффициент общей
теплопередачи:
.
Средняя температура
внутри цилиндрической части сушилки составляет по опытным данным tвн = 130 °С.
Тогда тепловой поток через гладкие поверхности цилиндрической части составляет:
.
Тепловой поток через
ребра цилиндрической части.
Суммарная длина ребер
216 м, средняя толщина 0,006 м; высота их δ = 0,2
м.
Площадь поверхности
ребер в направлении теплового потока:
.
Тепловой поток:
.
Тепловой поток через
конусную часть ограждения. Конусная часть сварена из стальных листов толщиной δ
= 2 мм; изоляции не имеет.
Площадь поверхности
конусной части:
.
Коэффициент общей
теплопередачи:
.
При расчете теплового
потока принимаем температуру внутри конусной части сушилки tвн = 90 °С. Тогда
тепловой поток составляет:
.
Суммарный тепловой поток
в окружающую среду:
или 171243·3,61 = 618187
кДж/ч.
Потери теплоты в
окружающую среду, отнесенные на 1 кг испаренной влаги:
.
Сумма учтенных тепловых
потерь на 1 кг влаги составляет:
,9+0,65+426=469 кДж.
Неучтенные потери
принимаем равными 10%, что составляет с округлением на 1 кг влаги:
.
Суммарные потери теплоты
на 1 кг испаренной влаги составят:
.
Построение процесса
сушки в I-d диаграмме
На I-d диаграмме
отмечаем точку В, соответствующую начальной температуре теплоносителя t1=1500ºС
и влагосодержанию d1=135 г на 1 кг сухих газов. Из точки В проводим вниз
адиабатный луч и луч, параллельный линиям постоянных влагосодержаний. На
адиабатном луче отмечаем произвольную точку е и из нее опускаем перпендикуляр
на луч, параллельный линиям d=const, и на нем ищем положение точки Е, вычисляя
отрезок еЕ по формуле:
,
где -
тепловые потери практического процесса сушки, отнесённые к 1 кг испарённой
влаги;- масштабная характеристика I-d - диаграммы, на которой ведут построение;
где и
-
масштаб соответственно энтальпии и влагосодержания.
В нашем случае ккал
в 1 мм и г
в 1 мм.
По построению на I-d -
диаграмме замеряем отрезок еf. Он будет равен 164 мм. После подстановки
получаем:
На луче, опущенном из
точки е, откладываем отрезок еЕ = 32,6 мм и таким образом находим положение
точки Е.
Из точки B через точку Е
проводим луч, который является политропной практического процесса сушки. На
этом луче отмечаем точку C его пересечения с изотермой, соответствующей
температуре отработанного теплоносителя tм” =120ºC.
Точка C характеризует
параметры отработанного теплоносителя. Из точки C опускаем перпендикуляр на
продолжение отрезка Bf и точку пересечения обозначаем буквой D. Измеряем
отрезок CD: он равен 485 мм.
Удельный расход сухого
теплоносителя на 1 кг испарённой влаги определяем по формуле:
или с учётом начального
влагосодержания теплоносителя по формуле:
Удельный расход
отработанного теплоносителя определяем по формуле:
где согласно построению
на I-d-диаграмме, d2 =620 г на 1 кг сухих газов.
Для определения
удельного расхода теплоты наносим на I-d-диаграмму т. А с параметрами t0=20 ºС
и d0=10 г/кг. Из точки А восстанавливаем вертикальный луч (d=const) до
пересечения с изотермой t1=1500ºС. Точку
пересечения обозначаем буквой В`. Измеряем отрезок АB`. В данном случае он
равен 620 мм. Удельный расход теплоты на 1 кг испарённой влаги определяют по
формуле:
ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС РАБОЧЕЙ
КАМЕРЫ СУШИЛКИ
По результатам расчета
материального баланса составляем тепловой баланс рабочей камеры сушки,
отнесенный к 1 кг испаренной влаги, для чего определяем предварительно расход
теплоты на испарение влаги и нагрев водяных паров по формуле:
где r - скрытая теплота
парообразования (по справочным данным r = 2230 кДж/кг);- удельная теплоемкость
водяного пара (по справочным данным cn =
=1,97 кДж/кг·ºС).
Подставляя числовые
значения, получаем:
Расход теплоты на
подогрев сухой части отработанного теплоносителя определяют по формуле:
где св - удельная
теплоемкость сухого воздуха, кДж/(кг·°С) (По справочным данным св = 1
кДж/(кг·°С).
Подставляя числовые
значения, получаем:
Невязка баланса
составляет
что близко к разрешающей
способности линейки. С учетом неточностей, неизбежных при графическом
построении процесса, сходимость частей баланса считаем удовлетворительной.
Таблица 1- Тепловой
баланс сушильной камеры на 1 кг испаренной влаги
Приходные статьи
|
Количество теплоты
|
Расходные статьи
|
Количество теплоты
|
|
кДж
|
%
|
|
кДж
|
%,
|
Теплота С.А.
|
2771
|
100
|
На испарение влаги и подогрев водяных паров
|
2382
|
78,3
|
Итого
|
2771
|
100
|
На подогрев сухой массы
|
42,9
|
1,4
|
|
|
|
На подогрев остаточной влаги
|
0,65
|
0,02
|
|
|
|
Потери теплоты в окружающую среду
|
426
|
14
|
|
|
|
Неучтенные потери
|
46,9
|
1,5
|
|
|
|
На подогрев сухой части отходящих газов
|
144
|
4,7
|
|
|
|
Итого
|
3042
|
100
|
РАСЧЕТ ЧАСОВЫХ РАСХОДОВ ТЕПЛА И
ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
Часовой расход теплоносителя по
массе с начальными параметрами составляет:
.
Объемный часовой расход
определяют по формуле:
где γ1
- плотность теплоносителя, кг/м3 (γ1 = 0,79);
Подставляя числовые
значения, получаем:
.
Объемный часовой расход
теплоносителя при t`1 =1500 ºC составит:
.
Часовой расход
отработанного теплоносителя при нормальных условиях и при t``1=120 °C и
γ2 = 0,8:
;
;
.
Рассчитываем часовой
расход теплоты в рабочей камере сушилки:
.
ПОДБОР ЦИКЛОНОВ
В качестве
пылеосадительных устройств к установке принимаем циклоны серии ЦН-15. Согласно
данным каталога, максимальная пропускная способность циклона наибольшего
типоразмера диаметром 800 мм составляет Vц = 6800 м3/ч.
Расчетное количество
циклонов составляет:
.
Принимаем к установке 2
циклона диаметром 800 мм. Расчетная пропускная способность одного циклона
составляет:
.
Площадь входного
патрубка F = 0,1 м2. Скорость во входном патрубке циклона:
.
Площадь поперечного
сечения циклона составляет:
.
Определяем условную
скорость, отнесенную ко всему объему сечению циклона:
.
РАСЧЕТ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ
СОПРОТИВЛЕНИЙ
Схема аэродинамического
тракта (согласно компоновочному чертежу) такова: из конусной части сушилки
отработанные газы проходят закругленное колено диаметром 1000 мм, затем следуют
по прямой участка трубопровода того же диаметра, длиной 5,7 м. После чего
газовый поток на подходе к циклонам проходит еще два закругленных колена
(неизменного диаметра) и далее он разветвляется на четыре отвода к входным
патрубкам каждого циклона.
Из циклонов очищенные от
уносов газы поступают в сборник и симметричные собирающие тройники, затем
проходят два закругленных колена и через конфузор поступают во всасывающий
патрубок вентилятора. Из выхлопного патрубка газы проходят диффузор и через
выхлопную трубу диаметром 1000 мм выбрасываются в атмосферу.
Подсчет аэродинамических
сопротивлений.
Расчетом определяем лишь
местные сопротивления. Сопротивления трения в связи с относительной малой
протяженностью газоходного тракта учитываем 20%-ной надбавкой к сумме местных
сопротивлений. Давление (отрицательное), создаваемое выхлопной трубой, в расчет
не вводим а оставляем его запасным. Все размеры для подсчета сечений
газоходного тракта принимаем по чертежу, а коэффициенты местных сопротивлений -
по справочным данным. Расчет ведем по элементам сопротивления газоходного тракта.
Вход в приемное
отверстие колена:
секундный расход
отработанных газов:
;
сечение трубопровода:
;
скорость газового
потока:
,
где γ2
-плотность газов γ2 = 0,92 кг/м3;
ξ1 -коэффициент
местного сопротивления ξ1 = 1.
.
Три плавных колена:
коэффициент местного
сопротивления ξ2 = 3·0,2 = 0,6:
.
Разветвление на подходе
к циклонам ξ3 = 0,2:
.
Сопротивление циклонов ξ4
= 105:
.
Сопротивление
собирающего тройника ξ5 = 0,5:
.
Два плавных колена на
подходе к всасывающему патрубку вентилятора
ξ6 = 0,2·2 = 0,4:
.
Конфузор у всасывающего
патрубка вентилятора ξ7 = 0,1:
.
Диффузор у выхлопного
патрубка вентилятора ξ8 = 0,2:
.
Сумма местных
сопротивлений:
.
Сопротивление трения -
20% местных сопротивлений:
.
Влияние запыленности
воздуха учитываем надбавкой по формуле:
,
где К - опытный
коэффициент К=2,2;
μ - концентрация
пыли по массе, кг/кг.
Согласно материальному
балансу процесса сушки, унос С.Г. составляет 12 кг/ч.
Часовой расход
отработанного теплоносителя составляет L2 = 6456 кг. Тогда
;
.
С учетом 20% запаса на
неучтенные потери принимаем требуемое давление вентилятора:
.
ВЫБОР ВЕНТИЛЯТОРА
Часовое объёмное
количество отработанного теплоносителя составляет. Требуемую подачу
отсасывающего вентилятора принимаем с 25%-ным запасом:
Требуемое давление
составляет Расчётное
давление вентилятора определяем оп формуле:
,
где -
температура газов на выходе ();
Б = 745 мм. вод. ст. -
барометрическое давление;
=1,2 кг/м3;
=0,8 кг/м3.
Получаем:
Принимаем к установке
вентилятор среднего давления типа Ц9-55(ЦВ-55) №12. Согласно графической
характеристике этого вентилятора, его динамическое давление при Нд=7 мм. вод.
ст. (68,7 Па).
Полное давление
составляет:
На графической
характеристике находим:
частота вращения n=1450
об/мин;
коэффициент полезного
действия ηв= 0.5.
Для условий
транспортирования запыленного воздуха мощность электродвигателя на валу
определяем по формуле:
.
Для клиноременных
передач ηп=0,95.
Установленная мощность
электродвигателя составляет:
где К - коэффициент
запаса, равный 1,2.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лебедев П.Д., Щукин А.А. Теплоиспользующие установки
промышленных предприятий. (Курсовое проектирование). М. 1970.
. Лебедев П.Д. Теплообменные, сушильные и холодильные
установки. М. 1972.
. Бакластов А.М. Проектирование, монтаж и эксплуатация
теплоиспользующих установок. М. 1970.
. Карабин А. И., Раменская Е. С., Энно И. К. Сжигание
жидкого топлива в промышленных установках. М. 1966.
. Гинзбург А. С. Основы теории и техники сушки пищевых
продуктов М. 1973.