Расчет вспомогательного оборудования

Расчет калорифера Для нагревания воздуха, подаваемого в сушильную камеру, используем паровоздушные калориферы, по которым циркулирует теплоноситель — пар. Определим параметры теплоносителя. Ориентировочно принимаем абсолютное давление пара р = 0,13 Мпа. Тогда температура конденсации водяного пара t'_п = 106,6 ^оС [7, табл. 15].

Определим среднюю разность температур.

;

;

.

Средний температурный напор для калорифера должен быть 30…40 ^оС. В данной установке t_ср = 38,2 ^оС, что соответствует требуемым нормам.

Определим расход теплоты на нагрев воздуха.

(44).

где L — количество нагретого воздуха, кг/с; 1,005 — теплоемкость воздуха, кДж/(кг· K); t_к, t_н — конечная и начальная температура нагреваемого воздуха, ^оС.

кВт.

Зададимся весовой скоростью воздуха кг/(м²· K) и определим предварительное живое сечение калориферной установки по воздуху м².

По таблице 5 [7] принимаем 6 калориферов КФБО-8 с живым сечением при установки их по два калорифера параллельно потоку воздуха. Уточним живое сечение калориферной установки по воздуху.

.

Рассчитаем весовую скорость воздуха в принятой калориферной установке.

По таблице 7 [7] определяем коэффициент теплопередачи .

Рассчитаем необходимую поверхность нагрева калориферной установки.

(45).

где T_ср — средняя температура теплоносителя, ^оС; t_ср — средняя температура воздух, ^оС.

При насыщенном паре давлением более 0,03 МПа пренебрегают T_ср = t_n, т. е. в данном случае T_ср = 106,6 ^оС.

Запас в поверхности нагрева калориферной установки должен составлять 15 20%, в данном случае .

Определим сопротивление движению воздуха при по таблице 8 [7].

.

Произведем уточненный расчет калориферной установки.

Рассчитаем количество теплоты в калорифере.

(46).

где Q_g — расход теплоты в калорифере в зимних условиях, кВт; Q_пот — потери тепла в газоходе от калорифера до сушильной камеры, кВт.

Величину Q_g можно определить по формуле.

(47).

где I_0, I₁ — энтальпии воздуха на выходе и входе из калорифера, кДж/кг; L — расход воздуха на сушку в зимних условиях, кг/с Вычислим расход греющего пара по формуле.

(48).

где r — удельная теплота парообразования, при t = 100 ^оС, r = 2260 кДж/кг [3, табл. 56]; - коэффициент, учитывающий потери.

.

Для проверки определим коэффициент теплопередачи аналитически [3, (4.37)].

(49).

где _пр — приведенный коэффициент теплопередачи от калорифера воздуху, Вт/(м²К); ₂ — коэффициент теплопередачи для потока, проходящего внутри трубы, Вт/(м²К); F_н — площадь полной наружной поверхности оребренной трубы на единицу длины, включая поверхность ребер, м²; F_в — площадь внутренней поверхности несущей трубы на единицу длины, м²; r_сm — сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений, м²К / Вт.

Определим коэффициент теплоотдачи ₂ при пленочной конденсации пара внутри горизонтальных труб калорифера [3, (4.57)].

(50).

где А — коэффициент объединяющий физические константы воды и пара при температуре конденсации; при t = 106,6 ^оС, А = 8,3 [3, рис. 4.8]; q — удельная тепловая нагрузка, Вт/м²; L — длина трубы; L = 1,01 м [7, c. 520]; d_вн — внутренний диаметр трубы; d_вн = 0,018 м.

Тепловая нагрузка, приходящаяся на один калорифер

.

Удельная тепловая нагрузка калорифера.

.

где F_вн — площадь внутренней поверхности трубок, м²; n — количество трубок.

.

Коэффициент теплоотдачи ₁ от калорифера к воздуху определим с помощью критерия Нуссельта [3, (4.36)].

(51).

где d — наружный диаметр несущей трубы, мм; t — шаг ребер, мм; h — высота ребра; мм; с и n — коэффициенты; для шахматного расположения труб с = 0,25; n = 0,65 [3, c. 156].

.

Приведенный коэффициент теплоотдачи _пр определяем по рис. 6.10 [3] _пр = 43,86 Вт/м².

Определим площадь полной нагруженной поверхности оребренной трубы на единице длины.

Количество ребер на одном метре трубы.

.

где S — толщина ребра, мм.

.

Площадь поверхности ребер определим по формуле.

.

где D — наружный диаметр оребренной трубы, м.

Площадь поверхности неоребренной части трубы Площадь полной наружной поверхности трубы на 1 м.

Площадь внутренней поверхности трубы на 1 м.

Определим суммарное термическое сопротивление стенки газохода и загрязнений.

(52).

где _ст — коэффициент теплопроводности стенки, Вт/(м· K); _ст — толщина стенки трубы, м; r_з.1 и r_з.2 — соответственно тепловые загрязнения со стороны пара и воздуха, Вт/(м· K);, , [3].

.

Рассчитаем коэффициент теплопередачи.

.

Отклонение значения коэффициента теплопередачи K от ранее принятого составляет.

.

Расчет системы очистки отходящего воздуха В процессе сушки и охлаждения сахара происходит его испарение, в результате чего образуется пыль, которая вместе с мелкой фракцией продукта уносится из аппарата воздухом. Поэтому для очистки воздуха необходимо установить батарейный циклон. Преимуществами батарейного циклона по сравнению с обычным циклоном является более высокая степень очистки (на 20…40%) и меньшее гидравлическое сопротивление. Батарейные циклоны состоят из параллельно включенных элементов малого диаметра (100…200 мм). Их можно применять в широком диапазоне температур (до 400 ^оС) при относительно небольшой концентрации взвешенных частиц. Батарейные циклоны имеют прямоугольный корпус и состоят из одной или нескольких секций [8].

Определим максимальные размеры уносимых частиц из сушильной камеры. Для этого рассчитаем критерий Лященко.

(53).

где _ср — скорость воздуха в сушилке, м/с; _ср — плотность воздуха при средней температуре в сушилке, кг/м³; _с — коэффициент динамической вязкости воздуха при средней температуре в сушилке, Пас; - плотность сахара, кг/м³

.

По графической зависимости критерия Lu от критерия Ar [3, рис. 3.8] находим, что Ar = 950.

Рассчитаем критерий Рейнольдса для условия витания частиц.

. (54).

.

Тогда максимальный диаметр уносимой частицы можно рассчитать по выражению, полученному из критериального уравнения.

.

В предыдущих расчётах максимальный диаметр уносимых частиц принимают d = 0,25 мм. Следовательно, расхождение между полученными результатами составляет.

d = (0,25 — 0,24)/0,25 = 4%.

Определяют запыленность воздуха, предполагая, что уносится 1% сахара от общей массы.

G= G₂/100,.

где G₂ — производительность сушилки по сухому продукту, кг/с.

G= 1,346/100 = 0,0136 кг/с.

Тогда запыленность воздуха составит.

₁ = G/V,.

где V — объёмный расход воздуха в летний период, м3/с.

₁ = 0,0136/4,28 = 0,0032 кг/м³.

На основании опыта эксплуатации установки, а также исходя из технико-экономических соображений и надежности работы батарейных циклонов, отношение гидравлического сопротивления к удельному весу газа следует принимать [7].

Р/_t = 55, (55).

где Р — гидравлическое сопротивление, мм. вод. ст; _t — удельный вес газа, кг/м³.

Гидравлическое сопротивление батарейного циклона при данном соотношении равно.

Р = 55_t = 55· 1,05 = 57,75 мм. вод. ст.

Определяют количество элементов батарейного циклона.

N = 0,287, (56).

где Q_р — расход воздуха поступающего на очистку в циклон, м³/с; D — диаметр корпуса элемента циклона, м; принимают D = 0,15 м [7]; - коэффициент гидравлического сопротивления батарейного циклона.

Принимаем направляющие аппараты типа «Розетка» с = 25, для которых = 90 [7 с. 587].

N = 0,287.

Принимают 72 элемента БЦ, конструкции НИИОГАЗ диаметром 150 мм с допускаемой запыленностью 35 г./м³ [7]. Тип секции ПС-8 (рис. 4.2).

Рассчитывают условную скорость газа в корпусе элемента циклона.

.

Проверяют гидравлическое сопротивление батарейного циклона по формуле.

Р=, (57).

Р = мм. вод. ст.

Расхождение составляет.

Р =% = 9,9%.

Коэффициент очистки воздуха от сахарной пыли определяют по табл., представленной в работе [7]. Для элемента диаметром 150 мм с направляющим аппаратом типа «Розетка» коэффициент очистки равен = 83,5%. Следовательно, из циклона уносится 16,5% пыли, т. е. запыленность воздуха на выходе из циклона.

кг/м³.

Рассчитывают батарейный циклон для очистки отходящего воздуха из охладительной камеры. Расчет ведут аналогично выше изложенному.

Определяют запыленность воздуха:

G= G₂/100 = 1,364/100 = 0,0136 м/с;

₁=G/V = 0,0136/3 = 0,0045 кг/м³.

Гидравлическое сопротивление батарейного циклона при соотношении (4.14) составляет.

Р = 55₆₃ = 55· 1,06 = 58,3 мм. вод. ст.

Определяют количество элементов батарейного циклона.

N = .

Принимают 54 элемента типа БЦ конструкции НИИОГАЗ диаметром 150 мм с допускаемой запыленностью 35 г./м³. Тип секции ПС-6.

Условная скорость газа в корпусе элемента циклона.

м/с.

Рассчитывают гидравлическое сопротивление.

мм. вод. ст.

Отклонение от ранее рассчитанного составляет.

%.

Рассчитывают запыленность воздуха на выходе из циклона.

кг/м³.

Отработанный воздух после охладительной камеры выбрасывается в атмосферу. Так как после очистки с помощью батарейного циклона в нем ещё содержится сахарная пыль, то необходима дополнительная очистка воздуха. Для этого устанавливают рукавный фильтр марки СМЦ-101А.

Основной особенностью конструкций фильтров СМЦ-101А (рис. 3) является верхняя подача запыленного газа и компоновка фильтров из унифицированных секций.

Рис. 3 Схема устройства и действия фильтра СМЦ-101А:

1 — коллектор чистого газа; 2 — эластичный затвор; 3 — клапанная коробка; 4 — клапан; 5 — продувочный коллектор; 6 — рукав; 7 — коллектор грязного газа; 8 — шибер; 9 — межкамерная перегородка; а — камера, работающая режиме фильтрования; б — камера в режиме регенерации.

Секции изготавливаются трех вариантов: с высотой рукавов более 2 м, порядка 5 м, и 9,1 м; указанные варианты секций получили маркировку: габариты 1; 2 и 3. Каждая секция состоит из верхнего блока с подводящими газоходами, среднего блока с двумя рукавными решетками и нижнего — бункерной части. Секция разделена перегородкой на две независимые камеры, которые позволяют в любой из них производить фильтрование или регенерацию.

Фильтры могут компоноваться из необходимого числа секций. Уловленная пыль в фильтрах накапливается на внутренней поверхности рукавов и удаляется через затвор, выполненный в виде эластичного рукава, заключенного в металлический кожух. Регенерация в фильтрах осуществляется обратной покамерной продувкой.

Для фильтров марки СМЦ-101А рекомендуется использовать фильтровальный материал лавсан арт. 216 и 217 [9, с. 96].

Определяют удельную нагрузку q, пользуясь выражением.

Q = q_нС₁С₂С₃С₄С₅, (4.15).

где q_н — нормативная удельная нагрузка, зависящая от вида пыли и её склонности к агломерации, q_н = 2 м³/м²· мин [9]; С₁ — коэффициент, характеризующий особенность регенерации фильтровальных элементов; С₁ = 0,7 [9]; С₂ — коэффициент, учитывающий влияние концентрации пыли на удельную газовую нагрузку; С₂ = 1 [9]; С₃ — коэффициент, учитывающий влияние дисперсного состава пыли в газе; С₃ = 1 [9]; С₄ — коэффициент, учитывающий влияние температуры газа, С₄ = 0,84 [9]; С₅ — коэффициент, учитывающий требования к качеству очистки; С₅ = 0,95 [9].

q= 2· 0,7· 1· 1· 0,84· 0,95=1,12 м³/м²· мин.

Определим гидравлическое сопротивление фильтровальной перегородки [9];

p_n= K_Пw+K₁z_вхw², (58).

где K_П — коэффициент, характеризующий сопротивление фильтровальной перегородки с оставшимся на ней слоем пыли, м^-1; принимают K_п = 1400· 10⁶ м^-1 [9, с. 146]; - коэффициент динамической вязкости, Па· с; = 20,1· 10⁶ Пас; w — скорость фильтрования, м/с; w = 1,15· 10^-2 м/с [9, с. 15];

K₁ — параметр сопротивления слоя пыли; принимают K₁ = 16· 10⁹ м/кг [9, с. 147]; - длительность цикла фильтрования; принимают = 900 с; z_вх — концентрация пыли в очищаемом газе;

z_вх = 0,743· 10^-3 кг/м³.

Подставляя полученные значения в формулу, получают.

р_п = 140 010⁶20,110^-61,1510^-2+1610⁹20,110^-6

9000,74 310^-3(1,1510^-2)² = 365 Па Определяют количество регенераций в течение 1 ч:

m_р = 3600/ (+_р), (59).

где _р — длительность цикла регенерации, с; _р = 40 с;

m_р = 3600/(900+40) = 3,83.

Вычисляют объем газа, расходуемого на обратную продувку, условно принимая, что скорость газа при обратной продувке такая же, как и при фильтровании.

V_p = (V_нm_p)/3600, (60).

где V_н — расход очищаемых газов, м³/с.

V_p = (336 003,8340)/3600 = 460 м³/ч.

Предварительно определяют фильтровальную площадь.

F_ф = (V_н+V_p)/60q,.

F_ф = (10 800+460)/601,12 = 167,6 м².

Для заданных условий принимают 4 секцию фильтра марки СМЦ-101А габарита 1 со следующими техническими характеристиками [9]:

фильтрующая поверхность 55 м²;

число рукавов 36;

диаметр рукава 200 мм;

высота рукава 2,45 м;

допустимое разряжение в аппарате 3,5 кПа;

габаритные размеры 3,2 м 1,7 м 5,7 м Определяют площадь F_p фильтрования, выключаемую на время регенерации [9, (10.1)].

(61).

где N_c — число секций; F_c — фильтрующая поверхность секции, м².

м².

Уточняют количество газа, расходуемого на обратную продувку в течении 1 ч, пользуясь выражением.

V_p = w _p m_p N_c F_c = 0,115 403,83455 = 388 м³/ч.

Окончательно определяют необходимую площадь фильтрования.

м².

Проводят сопоставление времени цикла фильтрования с временем, затрачиваемым на регенерацию секций. При условии постоянной регенерации одной из секций [9, с. 148].

(N_c — 1)_p, (62).

• (N_c — 1)_p = (4 — 1) 40 = 120 с;
• 900 с > 120 с

Условие (4.20) выполняется, следовательно, надежная эксплуатация аппарата обеспечивается.

Выбор вентиляторов Выбирая вентиляторы для сушильно-охладительной установки, необходимо определить сопротивление нагнетательного аспирационного тракта установки (падение давления) и требуемую величину подачи. При технологическом расчете процесса сушки и охлаждения получено, что потребное количество воздуха на сушку V_c = 4,28 м³/с, а на охлаждение — V_охл = 3 м³/с.

Определяют потери напора на пути от вентилятора до циклона по формуле.

Р = Р_к + Р_с + Р_бу + Р_в,.

где Р_к — сопротивление калориферной установки, Па; Р_с — сопротивление сушильной камеры, Па; Р_бу — сопротивление батарейного циклона, Па; Р_в — сопротивление воздуховодов, Па.

Воздуховоды предназначены для сообщения всех аппаратов установки в единую систему. Так как воздуховод на различных участках имеет различную длину, размер и температуру проходящего по нему воздуха, то расчет сопротивлений проводят отдельно для каждого участка.

Определяют режим движения воздуха на каждом участке воздуховода.

1) участок от вентилятора до калорифера: принимают длину газохода =2 м, размер 0,350,35 м, t = 20 С.

Рассчитывают эквивалентный диаметр

.

где S — площадь поперечного сечения газохода, м².

.

Определяют значение критерия Рейнольдса.

где wr — скорость воздуха, м/с; - кинетическая вязкость воздуха, м2/с,.

.

2) участок от калорифера до сушильной камеры:

принимают = 5 м, размеры 0,35 0,35 м, t = 100 С.

;

.

3) Участок от сушильной камеры до батарейного циклона:

принимаем = 4 м, размеры 0,300,41 м; t = 65 С;

;

.

Так как на всех участках Re > 10⁵, то расчет гидравлического коэффициента трения ведут по формуле Альтшуля.

(63).

где k_э — эквивалентная шероховатость, м; для оцинкованного железа k_э = 0,15· 10^-3 м.

.

.

.

Тогда потери напора на каждом участке рассчитывают по формуле.

(64).

мм. вод. ст.,.

мм. вод. ст.

мм. вод. ст.

Суммарное сопротивление всей длины воздуховодов.

h = h₁+h₂+<…

Р = 438+928+566+278 = 2210 Па.

Принимают вентилятор марки В-Ц14−46−5К-02, производительность которого составляет Q = 5,55 м³/с, напор Р = 2550 Па, КПД вентилятора _н = 0,71 (табл. 1) [4, табл. 9].

Отработанный воздух из аппарата отсасывается вентилятором В-Ц14−46−8К-02 производительностью Q = 6,39 м³/с, напор Р = 1820 Па, _н = 0,73 (табл. 1) [4, табл. 9].

Рассчитывают вентилятор для подачи воздуха в охладительную камеру. Для этого определяют потери напора от вентилятора до рукавного фильтра.

Технические характеристики центробежных вентиляторов.

Р= Р_охл.к+Р_б.у+Р_р.ф.+Р_в,.

где Р_охл.к — сопротивление охладительной камеры, Па; Р_р.ф — сопротивление рукавного фильтра, Па; Р_в — сопротивление воздуховодов, Па.

Определяют сопротивление воздуховода на каждом участке отдельно. Для этого определяют режим движения воздуха.

1) участок от вентилятора до охладительной камеры: = 5 м, размеры 0,250,34 м, t = 20 С.

;

>100 000;

.

Тогда потери напора на участке равны.

мм. вод. ст. = 156 Па.

2) участок от охладительной камеры до батарейного циклона: = 4 м; размер 0,25 0,34 м; t = 63 С.

;

>100 000;

;

мм. вод. ст. = 127 Па.

3) участок от батарейного циклона до рукавного фильтра: = 4 м; размер 0,25 0,34 м; t = 60 С.

;

>100 000;

;

мм. вод. ст. = 127 Па.

Суммарные потери газохода.

Р_в= 156 + 127+ 127= 410 Па.

Тогда общие потери равны.

Р = 928+ 566+ 451+ 410= 2355 Па.

Принимают вентилятор марки В-Ц14−46−5К-02, производительность которого Q = 3,67 м³/с, напор Р = 2360 Па, _н = 0,71 (табл. 1) [4, табл. 9]. Отработанный воздух из охладительной камеры отсасывается вентилятором марки ЦП-40−8К (табл. 1), производительность которого составляет 1,39−6,95 м³/с, напор Р = 1470 3820, _н = 0,61.