Расчет сушильной установки

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

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.