Складання матеріального балансу сушильної установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

1. Розрахунки, що підтверджують роботу вибраної конструкції

1.1 Матеріальний баланс сушильної установки

1.2 Тепловий баланс сушильної камери

1.3 Визначення параметрів сушильного агента

1.4 Вибір типорозміру стандартносушильної камери

1.5 Розрахунок розпилювача

1.6 Уточнений розрахунок сушильної камери

1.7 Розрахунок і вибір калориферів

1.8 Розрахунок і вибір конденсатовідводника

1.9 Розрахунок і вибір циклона

1.10 Розрахунок скрубера

1.11 Аеродинамічний розрахунок газового тракту

1.11.1 Розрахунок аеродинамічного опору нагнітального тракту

1.11.2 Розрахунок аеродинамічного опору витяжного тракту



1. Розрахунки, що підтверджують роботу вибраної конструкції

розпилювач калорифер скрубер

1.1 Матеріальний баланс сушильної установки

Складання матеріального балансу сушильної установки дозволяє зв'язати між собою витрати вологого матеріалу, сухого матеріалу, і вологи, що випарюється. Звичайно його записують у наступному вигляді.

Матеріальний баланс сушильної установки

(3.1)

деG₁ - витрата вологого матеріалу, кг/с;

G₂ - витрата сухого матеріалу, кг/с;

W - витрата вологи, що випарюється, кг/с.

Визначаємо початкову вологість матеріалу

(3.2)

Визначаємо витрату вологи, що видаляється з матеріалу, що висушує

(3.3)

Визначаємо витрату вологого матеріалу

1.2 Тепловий баланс сушильної камери

Рівняння теплового балансу встановлює рівність тепла внесеного в камеру із сушильним агентом і тепла, яке корисно використане, так і змушених втрат. Рівняння теплового балансу звичайно записується в наступному вигляді

деQ_вип -, що витрачається тепло на випар вологи з матеріалу, кВт;

Q_м - тепло, що витрачається на нагрів матеріалу, кВт;

Q_вт - втрати тепла в навколишнє середовище, кВт;

Q_дег - теплота дегідратації, кВт;

Q_ф.п -тепло, що витрачається на нагрівання форсуночного повітря, кВт;

L₁ - витрата сушильного агента, кг/с;

с₁ - теплоємність сушильного агента, кДж/кг К.

Визначаємо середню температуру сушильного агента в сушильній камері

(3.4)

Щільність, кінематична в'язкість і теплоємність абсолютно сухого повітря визначаємо по [1, дод. 2.1] при середній температурі сушильного агента t_с.а=97,5 ^оС, відповідно маємо с_с.а=0,953 кг/м³, н_с.а=22,87·10^-6 м²/с і с_а.с=1,009 кДж/кг К. Також середня температура сушильного агента є визначувальною для визначення по [1, дод. 2.3] теплоти паротворення й теплоємності пари, що утворилася, відповідно маємо r = 2500 кДж/кг і с_п = 1,86 кДж/кг К.

По I-d діаграмі вологого повітря визначаємо параметри зовнішнього повітря по t₀=18^оС та ц=50%. Відповідно маємо вологовміст d₀ = 6,8 г/кг с. п. й ентальпію I₀ = 33,5 кДж/кг.

Визначаємо теплоємність зовнішнього повітря

(3.5)

дес _с.п - теплоємність абсолютно сухого повітря визначаємо по [1, дод. 2.1] при температурі зовнішнього повітря t₀ = 18 ⁰С, відповідно маємо с_с.п =1,005 кДж/кг К.

Визначаємо теплоємність сушильного агента

(3.6)

Визначаємо тепло, що витрачає на випарювання вологи з матеріалу

(3.7)

де с_в - теплоємність води, яка міститься у вологому матеріалі по [1, дод. 2.4] при температурі розчину подаваного в сушильну камеру и₁ = 34 ⁰С, відповідно маємо с_в = 4,185 кДж/кг.

Питома теплоємність матеріалу на виході із сушильної камери

(3.8)

де с_с.м - теплоємність сухого матеріалу, по [2, табл. 2.41] відповідно дорівнює с_с.м =1,37 кДж/кг К.

Визначаємо тепло, що витрачається на нагрівання матеріалу

(3.9)

Витрати тепла в навколишнє середовище визначимо через питомі витрати тепла, тому що невідомі розміри камери

(3.10)

де q_вт - питомі витрати тепла в навколишнє середовище по [1, с. 304] відповідно приймаємо q_вт =190 кДж/кг.

Визначаємо теплоту дегідратації

(3.11)

де q_р - питома теплота розчинення при b=80%, по [2, рис. 2.36] відповідно дорівнює q_р =50 кДж/кг.

Практика експлуатації пневматичних розпилювачів показує, що оптимальне відношення витрати повітря на розпил 1 кг розчину, при його звуковому витіканні, становить в_ф.п=G_ф.п/G₁?1 кг/кг. Стиснене повітря, що подається по заводських повітропроводах, набуває температуру зовнішнього повітря.

Визначаємо витрату форсуночного повітря

(3.12)

Визначаємо тепло, що витрачається на нагрівання форсуночного повітря



(3.13)

Визначаємо витрату сушильного агента без врахування присосів повітря

(3.14)

При роботі сушильної установки мають місце присоси зовнішнього повітря. Для розпилювальної сушарки витрата присосів приймається 2% від витрати сушильного агента.

Визначаємо витрату присосів

(3.15)

Визначаємо тепло, що витрачає на нагрівання присосів у сушильній камері

(3.16)

Визначаємо витрату сушильного агента з урахуванням присосів зовнішнього повітря

(3.17)

1.3 Визначення параметрів сушильного агента

Стан повітря перед сушильною камерою характеризується температурою t₁=135^оС і вологовмістом d₁ = d₀ = 6,8 г/кг с.п. По I-d діаграмі визначаємо ентальпію, вона відповідно дорівнює I₁=157кДж/кг с.п.

Визначаємо теплову потужність калорифера

(3.18)

Визначаємо витрату сухого повітря в складі сушильного агента

(3.19)

Визначаємо питому витрату сухого повітря

(3.20)

Визначаємо вологовміст сушильного агента після сушильної камери

(3.21)

Стан повітря після сушильної камери характеризується температурою t₂=60^оС і вологовмістом d₂ = 33,27 г/кг с.п. По I-d діаграмі визначаємо ентальпію і відносну вологість, вони відповідно дорівнюють I₂ = 156 кДж/кг с.п. та ц₂ = 25%.



1.4 Вибір типорозміру стандартносушильної камери

Розрахунок виконується на підставі експериментальної залежності продуктивності 1 м³ робочого об'єму сушильної камери по волозі, що випарюється A_v від середньої за час сушіння різниці температур між сушильним агентом і матеріалом ?t.

Визначаємо температуру мокрого термометра

(3.22)

Визначаємо середню за час сушіння різницю температур між сушильним агентом і матеріалом

(3.23)

Визначаємо продуктивності 1 м³ робочого об'єму сушильної камери по волозі, що випарується A_v по [2, рис. 2.77] при середній за час сушіння різниці температур між сушильним агентом і матеріалом ?t=62^оС, відповідно маємо А_н = 2,2 кг/м³ч.

Визначаємо об'єм сушильної камери

(3.24)

Відповідно до визначеного об'єму по [2, табл. 2.74] вибираємо сушильну камеру РФ 6,5-400 з наступними характеристиками:

- об'єм сушильної камери V = 400 м³;

- діаметр сушильної камери D_к = 6,5 м;

- висота сушильної камери H = 13 м.

1.5 Розрахунок розпилювача

Відповідно до завдання вибираємо тангенціальну пневматичну форсунку. По кресленню визначаємо діаметр отвору для витікання розчину: d_р = 0,006 м.

Визначаємо площу поперечного переріза отвору для витікання розчину

(3.25)

Швидкість витікання розчину приймаємо рівною щ_р = 2 м/с.

Кількість форсунок у сушильній камері

(3.26)

де с_р - щільність розчину, який подається на форсунки визначається по [2, табл. 2.39] при початковій концентрації b = 55 %, відповідно маємо с_р = 1228 кг/м³.

Приймаємо до установки N_ф = 7 шт.

Визначаємо критичну швидкість витікання повітря з форсунки

(3.27)

де k - показник політропи, k = 1,4;

R - газова стала, R = 287 Дж/кг К.

Щільність форсуночного повітря визначається по [1, дод. 2.1] при температурі форсуночного повітря t_ф.п.= -33^оС, відповідно маємо с_ф.п. = 1,47 кг/м³.

Визначаємо площу поперечного переріза для витікання повітря

(3.28)

Діаметр щілини, через яку відбувається витікання повітря d_п = 0,03 м

Визначаємо ширину щілини, через яку відбувається витікання повітря

(3.29)

1.6 Уточнений розрахунок сушильної камери

Визначаємо швидкість витікання розчину

(3.30)

Визначаємо відносну швидкість часток і форсуночного повітря

(3.31)

Визначаємо об'ємна витрату розчину через форсунку

(3.32)



Визначаємо об'ємна витрата повітря через форсунку

(3.33)

Визначаємо середній об'ємно-поверхневий діаметр часток, що висушуються, по формулі Нукияма-Танасави

(3.34)

де у_р - коефіцієнт поверхневого натягу розчину, визначається по [2, табл. 2.42] при початковій концентрації b = 55%, відповідно маємо у_р = 67,5·10^-3 Н/м

м_р - коефіцієнт динамічної в'язкості розчину, визначається по [2, табл. 2.40] при початковій концентрації b= 55%,відповідно маємо м_р = 0,0528Па с

Визначаємо швидкість витання по рівнянню Стокса

(3.35)

де g - прискорення вільного падіння, g = 9,81 м/с².

Визначаємо щільність висушеного продукту

(3.36)

де с_в - щільність води, визначається по [1, дод. 2.4] при кінцевій температурі матеріалу и₂ =45 ^оС відповідно маємо с_в = 990,1 кг/м³.

Визначаємо площу поперечного перерізу сушильної камери

(3.37)

Визначаємо швидкість сушильного агента

(3.38)

Визначаємо об'ємний коефіцієнт тепловіддачі

(3.39)

де л_с.а - коефіцієнт теплопровідності сушильного агента, визначається по [1, дод. 2.1] при середній температурі сушильного агента t_с.а = 97,5 ^оС відповідно маємо л_с.а = 0,278 Вт/м² К

Визначаємо кількість тепла, яке необхідно передати частці

(3.40)

Визначаємо уточнений об'єм сушильної камери

(3.41)

Уточнений об'єм сушильної камери менший, ніж об'єм камери, який був визначений в розділі 3.4 він дорівнював V_к=355 м³. Отже, зупиняємося на раніше обраній стандартній сушильній камері, що забезпечить необхідні умови сушіння.

1.7 Розрахунок і вибір калориферів

Калорифери - це парові або водяні апарати для помірного нагріву повітря. Приймаємо для нагрівання зовнішнього повітря паровий пластинчастий калорифер марки КФ.

Температура сухого насиченої пари визначаємо по [1, дод. 2.4] при тиску пари, що гріє, P_гр = 0,5 МПа, відповідно маємо t_н = 152 ^оС.

Приймаємо масову швидкість повітря (щс)ґ=10 кг/с·м². по [1, с 121]. На рисунку 3 графічно представлений розподіл температур теплоносіїв у калорифері.

Рисунок 2 - Зміна температур пари й повітря в калорифері.

Визначаємо більший перепад температур у калорифері

(3.43)

Визначаємо менший перепад температур у калорифері

(3.44)

Визначаємо середньо логарифмічний температурний напір

(3.45)

Визначаємо живий перетин для проходу повітря

(3.46)

Відповідно до живого перетину для проходу повітря попередньо приймаємо до установки калорифери марки КФС №7 по два калорифера в ряду. Калорифери марки КФ №8 мають живий перетин ѓ_к = 0,416 м² [2, табл. 5.39].

Визначаємо дійсну масову швидкість у калорифері

(3.47)

Визначаємо коефіцієнт теплопередачі для калорифера КФС

(3.48)

Визначаємо поверхню теплообміну калориферів КФС №9

(3.49)

Визначаємо необхідне число калориферів КФС №9

(3.50)

Приймаємо до установки 6 калориферів КФС №9, відповідно до раніше прийнятого компонування, по два калорифера в ряду, одержуємо кількість рядів калориферів по ходу повітря N_р=3.

Визначаємо дійсну поверхню теплообміну

(3.51)

Визначаємо дійсну теплову потужність калориферів

(3.52)

Визначаємо дійсну температуру сушильного агента на виході з калориферів

(3.53)

Дійсна температура сушильного агента на 6,5 ^оС вища розрахункової. Цей недогрів цілком допустимий по технічним умовам експлуатації.

Визначаємо витрату пари, що гріє

(3.54)

де r - теплота паротворення, визначається по [1, дод. 2.3] при тиску пари, що гріє, P_п = 0,5 МПа, відповідно маємо r = 2107,2 Дж/кг.

1.8 Розрахунок і вибір конденсатовідводника

Розрахунок і вибір стандартного поплавкового конденсатовідводника полягає у визначенні діаметра умовного проходу d_у залежно від витрати конденсату G_п, і перепаду тиску ?P, Па до конденсатовідводника та після нього.

Визначаємо тиск перед конденсатовідводником

(3.55)

Визначаємо перепад тисків у конденсатовідводнику

(3.56)

де Р₂ - тиск після конденсатовідводника, приймаємо по [3, с. 87], відповідно маємо Р₂ = 0,05 МПа.

Визначаємо фактичну продуктивність конденсатовідводника

(3.57)

де с_к - щільність конденсату в конденсатовідводнику, визначається по [1, дод. 2.4] при тиску пари, що гріє, P_п = 0,5 МПа, відповідно маємо с_к = 1000 кг/м³.

Визначаємо максимальну продуктивність конденсатовідводника

(3.58)

де k_зап - коефіцієнт запасу для конденсатовідводника, приймаємо по [3, с. 87], відповідно маємо k_зап = 3.

По [3, дод. 9] в залежності від перепаду тиску ?Р = 0,425 МПа та G_max=5136 л/ч вибираємо конденсатовідводник з відкритим поплавцем та простим клапаном типу К5В з діаметром d_у = 32 мм.

1.9 Розрахунок і вибір циклона

У цей час найпоширеніші циклони НІІОГаз типу ЦН. Характерною рисою цих апаратів є наявність подовженої циліндричної частини корпуса, нахилу вхідного патрубка, а також однакове відношення діаметра вихлопного патрубка до діаметра циклона. Ступінь очищення газів у циклонах становить 70ч90%.

Визначаємо кількість сушильного агента після сушильної камери

(3.59)

Визначаємо щільність вологого повітря після сушильної камери

(3.60)



деР_н - тиск насичення, визначається по [1, дод. 2.3] при температурі сушильного агента після сушильної камери t₂ = 60^оС, відповідно маємо Р_н = 0,019 МПа;

В - барометричний тиск, В =0,1 МПа.

Вибираємо циклон ЦН-24, він має невеликий аеродинамічний опір, а тому що буде 2-я ступінь очищення, немає необхідності ставити інші типи циклонів. Приймаємо по [4, табл. 2.8] оптимальну швидкість повітря в апараті щ_опт = 4,5 м/с.

Визначаємо об'ємну витрату повітря через циклон

(3.61)

Визначаємо необхідну площу перетину циклонів

(3.62)

Визначаємо діаметр циклона

(3.63)

де N_ц - кількістю циклонів, N_ц = 4 шт.

Приймаємо до установки чотири циклони діаметром D_ц = 0,9 м.

Визначаємо дійсну швидкість повітря в циклоні

(3.64)



Визначаємо різницю оптимальної й дійсної швидкостей у циклоні

(3.65)

Відповідно до [4, с. 65] перевіряємо виконання нерівності дщ<15 %. Умова виконується, отже забезпечено роботу циклона близька до оптимального.

По даним [4, табл. 2.10] приймаємо коефіцієнт гидравлічного опору о_ц500 = 75; поправочний коефіцієнт на вплив діаметра циклона k₁ = 1 по [4, табл. 2.11]; поправочний коефіцієнт на запиленість газу (40 г/м³) [4].

k₂ = 0,92 по [4, табл. 2.12]; поправка, залежна від компоновки циклонів

k₃ = 35 прямоугольная компоновка.

Коефіцієнт гідравличного опору з урахуванням поправок:

(3.66)

.

Втрати тиску в циклоні:

Па. (3.67)

1.10 Розрахунок скрубера

Пиловловлення в мокрих газоочисних апаратах супроводжується процесами абсорбції й охолодження газів. Апарати цього класу можуть застосовуються не тільки для очищення газів від пилу та крапель рідини, але й для очищення від газоподібних складових, а також для охолодження газів. Ступінь очищення газів становить 90-98 %.

- температуру газів на вході в скрубер.

- вологовміст на вході в скрубер.

- витрату сухого повітря в складі сушильного агента на вході в скрубер.

Ентальпія повітря на вході в скрубер визначається за допомогою I-d діаграми за значенням вологовмісту повітря d_1скр = 33,27 г/кг с.п. і температури на вході в скрубер t_1скр = 60 ⁰С, відповідно маємо I_1скр = 157 кДж/кг с.п. й ц_1скр = 29%.

Стан повітря після скрубера характеризується ентальпією I_1скр = I_2скр = 157 кДж/кг с.п. і відносною вологістю ц_2скр = 80%. По I-d діаграмі визначаємо вологовміст, температуру повітря вони відповідно рівні d_2скр= 44 г/кг с.п. й t_2скр = 44 ^оС. Процес випарного охолодження газу схематично показаний на рисунку 3.

Рисунок 3 - Схема процесу охолодження в I-d діаграмі .



Визначаємо витрату вологи, що випарюється у скрубері

(3.68)

Визначаємо середню температуру розчину в скрубері

(3.69)

Визначаємо середню температуру газів у скрубері

(3.70)

Визначаємо середню відносну вологість газів у скрубері

(3.71)

Визначаємо щільність повітря в скрубері

(3.72)

деР_н.скр - тиск насиченої водяної пари, визначається по [1, дод. 2.3] при , відповідно маємо Р_н.скр =0,012 МПа.

Визначаемо обьємну витрату сушильного агента в скрубері



(3.73)

Визначаємо діаметр скрубера

(3.74)

де щ_скр- швидкість повітря в скрубері, по [4, с. 95] відповідно дорівнює щ_скр = 1,5 м/с.

Визначаємо висоту циліндричної частини скрубера з умови газоочистки

(3.75)

Визначаємо витрату промивної рідини

(3.76)

Кратність циркуляції приймаємо m=6.

Визначаємо витрату розчину в скрубері

(3.77)

Визначаємо щільність зрошення

(3.78)

Принимаю G_скр=35 кг/с

Визначаємо об'ємний коефіцієнт тепловіддачі

(3.79)

Визначаємо температуру мокрого термометра в скрубері

(3.80)

Середньологаріфмичний температурний напір у скрубері визначаємо відповідно до рисунка 4.

Рисунок 4 - Зміна температур розчину й повітря в скрубері.

Визначаємо більший перепад температур у скрубері

(3.81)

Визначаємо менший перепад температур у скрубері



(3.82)

Визначаємо середньологарифмічний температурний тиск у скрубері

(3.83)

Визначаємо теплоту, яка передається від сушильного агента до розчину

(3.84)

деr - теплота паротворення, визначається по [1, дод. 2.3] залежно від середньої температури розчину , відповідно маємо r = 2434,8 кДж/кг;

с_р.скр - теплоємність розчину, визначається по [2, рис. 2.34] залежно від початкової концентрації розчину b=55%, відповідно маємо с_р.скр=2,62кДж/кг.

Визначаємо робочий об'єм скрубера

(3.85)

Визначаємо робочу висоту скрубера, де відбувається нагрівання розчину

(3.86)

Визначаємо кількість форсунок



форсунки з D_у=32х16мм. (3.87)

У результаті розрахунків були отримані геометричні параметри скрубера з умов газоочистки й теплообміну. Через те, що отримана робоча висота скрубера з умови теплообміну менше висоти отриманої з умови газоочистки, то нагрівання в скрубері буде відбуватися до температури мокрого термометра. А також у процесі газоочистки буде збільшуватися концентрація розчину NH₃NO₄. Це впливає на весь хід процесу сушіння й створює резерв для зменшення енергоспоживання всієї установки.

1.11 Аеродинамічний розрахунок газового тракту

Прийнята схема установки з урівноваженою тягою вимагає для роботи двох вентиляторів. Для подолання опору калорифера й газоходу до сушильної камери встановлюється дутьйовий вентилятор. А опір сушильної камери, циклона, скрубера й з'єднуючих їхніх газоходів переборюється витяжним вентилятором.

1.11.1 Розрахунок аеродинамічного опору нагнітального тракту

Визначаємо щільність повітря після калориферів

(3.88)

Визначаємо діаметр газоходу від калорифера до сушильної камери

(3.89)



де щ_в - швидкість повітря в газоході, приймаємо щ'_п = 20 м/с.

Приймаємо найближчий стандартний діаметр газоходу d = 0,8 м.

Визначаємо дійсну швидкість повітря

(3.90)

Визначаємо критерій Рейнольдса

(3.91)

де н_п - коефіцієнт кінематичної в'язкості, визначаємо по [1, дод. 2.1] при температурі повітря після калорифера t₁ = 135 ^о, відповідно маємо н_п = 26,63·10^-6 м²/с.

Визначаємо коефіцієнт опору тертя по формулі Блазіуса

(3.92)

Визначаємо довжину газоходу від калорифера до сушильної камери по кресленню, відповідно маємо l_г = 16 м.

Визначаємо втрати тиску на тертя

(3.93)

Визначаємо втрати тиску на місцевих опорах

(3.94)

де о - коефіцієнт місцевого опору при повороті потоку на 90⁰ визначаємо по [3, табл. 1-4] о = 0,5;

n_п - кількість поворотів, n_п = 3 шт.

Визначаємо сумарні втрати тиску нагнітального тракту

(3.95)

Визначаємо об'ємні витрати сушильного агента

(3.96)

Визначаємо розрахунковий напір нагнітального вентилятора

(3.98)

де с_ст - розрахункова щільність повітря, по [3, с. 217] с_ст=1,2 кг/м³.

Вибираємо по [3, мал. 4-24] вентилятор ЦП8-40 № 8 із КПД з_в = 0,55

Визначаємо потужність привода вентилятора

(3.99)

де з_ед - КПД електродвигуна, з_ед = 0,95.

1.11.2 Розрахунок аеродинамічного опору витяжного тракту

Визначаємо діаметр з'єднуючих газоходів



(3.100)

Визначаємо критерій Рейнольдса

де н_{вл.п.скр} - коефіцієнт кінематичної в'язкості, визначаємо по [1, дод. 2.1] при температурі повітря після скрубера t_2скр = 44 ^оС, відповідно маємо н_{вл.п.скр} = 17,42·10^-6 м²/с.

Визначаємо коефіцієнт опору тертя по формулі Блазиуса

Визначаємо довжину газоходу від калорифера до сушильної камери по кресленню, відповідно маємо l_г = 16 м.

Визначаємо втрати тиску на тертя

Визначаємо втрати тиску на місцевих опорах

Визначаємо сумарні втрати тиску витяжного тракту



(3.102)

деДР_скр - аеродинамічний опір скрубера, приймаємо по [5, с. 264], відповідно маємо ДР_скр= 100 Па.

ДР_ск - аеродинамічний опір сушильної камери, приймаємо рівним ДР_ск= 250 Па.

Визначаємо об'ємну витрату сушильного агента

(3.103)

Вибираємо по [3, рис. 4-25] вентилятор СТД-57 № 8 із КПД з_в = 0,63.

Визначаємо потужність привода вентилятора

(3.104)

Вибираємо ассинхронний електродвигун серії А типу АО-82-6 з потужністю

N_ЕД = 28 кВт.

Размещено на Allbest.ru