Расчет сушильной установки
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… Читать ещё >
Расчет сушильной установки (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
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=40 000 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):
CO2 = 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 зтоп =0,9,
Теплоемкость ,
Энтальпия воздуха при комнатной температуре ,
Входящая температура топлива ,
Удельный объем влажного воздуха ,
Действительное количество влажного воздуха, Из диаграммы определяем:
tг=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);
W — часовое количество испаренной влаги; W = 1451 кг/ч;
t`1 и t``1 — соответственно температура дрожжей поступающих в сушилку и выгружаемых из нее: t`1 = 200 °C, t``1 = 120 °C.
Подставляя числовые значения в формулу, получаем:
.
На подогрев остаточной влаги:
где W``вл.м. — масса остаточной влаги. Согласно материальному балансу:
W``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 д1 = 6 мм с изоляционным слоем минеральной ваты толщиной д2 = 300 мм. Площадь перекрытия составляет:
Коэффициент теплоотдачи принят: от внутренней среды к поверхности ограждения б1 = 23,2 Вт/(м2· °С); от наружной поверхности ограждения в окружающую среду б2 = 17,4 Вт/(м2· °С).
Теплопроводность принимаем по справочным данным: стали л1 = 58 Вт/(м· °С), ваты л2 = 0,08 Вт/(м· °С).
Коэффициент общей теплопередачи:
.
Температура теплоносителя под перекрытием по опытным данным tвн = 170 °C, а температуру наружного воздуха принимаем tн = 20 °C. Тогда тепловой поток через перекрытие составит:
Тепловой поток через ребра перекрытия.
Суммарная длина ребер 120 м, их толщина 8 мм и средняя высота д = 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 д = 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 °C. 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 д = 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 д = 2 мм; изоляции не имеет.
Площадь поверхности конусной части:
.
Коэффициент общей теплопередачи:
.
При расчете теплового потока принимаем температуру внутри конусной части сушилки tвн = 90 °C. Тогда тепловой поток составляет:
.
Суммарный тепловой поток в окружающую среду:
или 171 243· 3,61 = 618 187 кДж/ч.
Потери теплоты в окружающую среду, отнесенные на 1 кг испаренной влаги:
.
Сумма учтенных тепловых потерь на 1 кг влаги составляет:
42,9+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=1500?С 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;
m — 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" =120?C.
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 ?С и d0=10 г/кг. Из точки, А восстанавливаем вертикальный луч (d=const) до пересечения с изотермой t1=1500?С. 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);
cn — удельная теплоемкость водяного пара (по справочным данным cn =
=1,97 кДж/кг· ?С).
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. | На испарение влаги и подогрев водяных паров | 78,3 | ||||
Итого | На подогрев сухой массы | 42,9 | 1,4 | |||
На подогрев остаточной влаги | 0,65 | 0,02 | ||||
Потери теплоты в окружающую среду | ||||||
Неучтенные потери | 46,9 | 1,5 | ||||
На подогрев сухой части отходящих газов | 4,7 | |||||
Итого | ||||||
РАСЧЕТ ЧАСОВЫХ РАСХОДОВ ТЕПЛА И ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ Часовой расход теплоносителя по массе с начальными параметрами составляет:
.
Объемный часовой расход определяют по формуле:
где г1 — плотность теплоносителя, кг/м3 (г1 = 0,79);
Подставляя числовые значения, получаем:
.
Объемный часовой расход теплоносителя при t`1 =1500 ?C составит:
.
Часовой расход отработанного теплоносителя при нормальных условиях и при t``1=120 °C и г2 = 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 г2 -плотность газов г2 = 0,92 кг/м3;
о1 -коэффициент местного сопротивления о1 = 1.
.
Три плавных колена:
коэффициент местного сопротивления о2 = 3· 0,2 = 0,6:
.
Разветвление на подходе к циклонам о3 = 0,2:
.
Сопротивление циклонов о4 = 105:
.
Сопротивление собирающего тройника о5 = 0,5:
.
Два плавных колена на подходе к всасывающему патрубку вентилятора
о6 = 0,2· 2 = 0,4:
.
Конфузор у всасывающего патрубка вентилятора о7 = 0,1:
.
Диффузор у выхлопного патрубка вентилятора о8 = 0,2:
.
Сумма местных сопротивлений:
.
Сопротивление трения — 20% местных сопротивлений:
.
Влияние запыленности воздуха учитываем надбавкой по формуле:
где К — опытный коэффициент К=2,2;
м — 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:
или округляем до 15 000
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 зв= 0.5.
Для условий транспортирования запыленного воздуха мощность электродвигателя на валу определяем по формуле:
.
Для клиноременных передач зп=0,95.
Установленная мощность электродвигателя составляет:
где К — коэффициент запаса, равный 1,2.
1. Лебедев П. Д., Щукин А. А. Теплоиспользующие установки промышленных предприятий. (Курсовое проектирование). М. 1970.
2. Лебедев П. Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки. М. 1972.
3. Бакластов А. М. Проектирование, монтаж и эксплуатация теплоиспользующих установок. М. 1970.
4. Карабин А. И., Раменская Е. С., Энно И. К. Сжигание жидкого топлива в промышленных установках. М. 1966.
5. Гинзбург А. С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов М. 1973.