Расчет барабанной сушилки

Размещено на http://allbest.ru

РАСЧЕТ БАРАБАННОЙ СУШИЛКИ

МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС БАРАБАННОЙ СУШИЛКИ

Количество влажного материала, поступающего на сушку:

кг/с;

где: - производительность сушилки по абсолютно сухому продукту, кг/с;

-начальная влажность материала, %.

Количество высушенного материала:

кг/с;

где: - конечная влажность материала, %.

Количество влаги, удаляемой в сушилке:

W=G₁-G₂ кг/с

Проверить эту величину можно по формуле:

кг/с

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ВЫБОР ОСНОВНЫХ ГАБАРИТНЫХ РАЗМЕРОВ БАРАБАНА

Объем сушильного барабана V (м³) может быть ориентировочно определен по формуле:

м³

где: - объемное напряжение барабана по влаге, кг/(м³ч).

Далее по справочным данным выбирают длину и диаметр барабанной сушилки, м.

м

Принимаем длину равную 10 м.

Определим истинный объём барабана м³:

м³

Основные характеристики выпускаемых барабанных сушилок приведены таблице (16)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫX РАСЧЕТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

При использовании в качестве сушильного агента воздуха необходимо знать состояние атмосферного воздуха района, где находится сушильная установка (температуру t₀ и относительную влажность ?₀)

Влагосодержание воздуха определяется по формуле:

;

При выполнении расчетов необходимо определить параметры наружного воздуха (х_о, I_o). Для сушки дымовыми газами определяем (х_о, I_o) и (х₂,I₂).

Таблица №1

Средняя температура и относительная влажность атмосферного воздуха.

Саратов	Июнь
	t, 0С	, %
	23	53

Влагосодержание окружающего воздуха

х₀=0.622 кг/кг

где: Р_н -давление насыщенного водяного определяется по таблице (3) по данным температурам пара, равно 21,07 мм.рт.ст.; В-барометрическое давление; принимаем равной 760мм. рт. ст.

Средняя температура и относительная влажность атмосферного воздуха выбирается летом. t_о=23⁰С; _о=53%

Теплосодержание влажного воздуха I (в кДж/кг сухого воздуха):

;

где: t - температура, в °С; x- влагосодержание в кг/кг;

Теплосодержание окружающего воздуха

I₀=(1+1,97·0,0093)·23+2493·0,0093=46,6 кДж/кг;

В качестве сушильного агента используют дымовые газы, полученные при сжигании природного газа, необходимо знать состав топлива, который определяют количество и качество дымовых газов. Данные по составу топлива имеются в таблице (5), при этом выбирается месторождение, ближайшее к месту расположения сушильной установки.

Теоретическое количество сухого воздуха L_o, затрачиваемое на сжигание 1 кг сухого газообразного топлива

;(4)

где СО₂, C_mH_n-количество составляющих газообразного топлива в объемных или массовых долях;

m,n- соответствуют индексам при С и Н.

Таблица№5

Характеристика газообразного топлива (при норм. усл.)

Газопровод,%	СО2	СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	С5Н12+С6Н14	N2+Не
Саратов - Москва,%	0,75	87,74	3,82	1,91	0,94	0,11	7,89
Мi		16	30	44	58	72+86

=

=16,1

Количество тепла Q_v, выделяющегося при сжигании 1 м³ газа, равно:

Q_v=2bCO₂+?kC_mH_n; (5)

где b,k-тепловые эффекты реакций горения простых газов.

Характеристики горения простых газов приведены в таблице (6).

Q_v = 2•0,75 + (35741•87,74 + 63797•3,82 + 91321•1,91 + 118736•0,94 +

+ (146119 + 173534) •0,11) / 100 = 37008,181 кДж

Плотность газообразного топлива ?_т:

; (6)

где М_i-мольная масса топлива, кмоль/кг;

t_т-температура топлива, принимаем равной 20 ^оС;

v_o=22,4 м³/кмоль - мольный объем;Т_о=273 К.

_т=(/100= =0,696472кг/м³

Количество тепла, выделяемая при сжигании 1 кг топлива

; (7)

Q = 37008,181 / 0,6964719 = 53136,6 Дж

Масса сухого газа, подаваемого в сушильный барабан, в расчете на 1 кг сжигаемого топлива определяется общим коэффициентом избытка воздуха ?, необходимого для сжигания топлива и разбавления топочных газов до температуры t₁. Действительный расход воздуха:

L=?•L_o; (8)

Значение ? находят из совместного решения уравнений материального и теплового балансов:

; (9)

где ? - общий коэффициент полезного действия, учитывающий эффектив-ность работы топки и потери тепла топкой в окружающую среду. Для топок работающих на газообразном топливе ?=0,9?0,95;

с_т. -удельная теплоемкость топлива при 20 ^оС, равна 1,34 кДж/(кг·К);

I_o-энтальпия свежего воздуха, кДж/кг, (по формуле 3);

i_c.г. энтальпия сухих газов, кДж/кг, определяем по уравнению:i_c.г.=c_c.г.·t_c.г.; i_c.г. = 128,4

c_c.г.;t_c.г- температура и теплоемкость сухого газа, ^оС и кДж/(кг·К) t_с.г.=t₁ (табл.8);

x_o-влагосодержание свежего воздуха, кг/кг сухого воздуха при температуре t_o и относительной влажности ?_о, (см. формулу 1);

i_п- энтальпия водяных паров, кДж/кг; определяется по формуле:

i_п. =r_o+c_п. ·t_п.,;

r_o- теплота испарения воды при 0 ^оС, равно 2493 кДж/кг;

c_п.- средняя теплоемкость водяных паров, 1,97кДж/(кг·К);

t_п- температура водяных паров, t_п=t_с.г.=t₁;

С_mH_n-количество составляющих газообразного топлива в массовых долях, при сгорании которых образуется вода.

Вт/м²К

L=24,5•16,1=394,45

Влагосодержание газов на входе в сушилку (х₁=х_см) на 1 кг сухого воздуха равно:

x₁=G_п/G_с.г.; (10)

где G_п - удельная масса водяных паров в газовой смеси при сжигании 1 кг топлива, кг/кг ;

G_{с.г. -}общая удельная масса сухих газов, получаемых при сжигании 1 кг топлива и разбавлении топочных газов воздухом до температуры смеси t₁

; (11)

+ 24,5•0,0093•16,1 = 4,16 кг/кг

; (12)

G_с.г.= 1 + 24,516,1 - 2,092 = 393,3 кг/кг

х₁ = 4,16/ 393,3 = 0,01кг/кг

Энтальпия газов на входе в сушилку:

; (13)

кДж/кг

Параметры дымовых газов на выходе из сушилки можно рассчитать по формулам (1) и (3).Если коэффициент избытка ? велик (?3?5), физические свойства газовой смеси, используемой в качестве сушильного агента, практически не отличается от физических свойств воздуха. Это дает возможность использовать в расчетах диаграмму состояния влажного воздуха.

Влагосодержание сушильного агента на выходе из сушилки при ?₂=3,3% при температуре выше 100 °С, когда P_н = B:

;

х₂=0.622 кг/кг

Теплосодержание сушильного агента на выходе из сушилки

I₂=(1+1,97·0,0212)·105+2493·0,0212=162,2кДж/кг;

РАСХОД СУШИЛЬНОГО АГЕНТА И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС БАРАБАННОЙ СУШИЛКИ

Расчет выполняется для летних условий работы сушилки. Параметры окружающей среды берут по справочным данным.

Тепловой баланс на 1 кг удаляемой влаги составляют следующим образом:

При сушке дымовыми газами расход сухого газа L_с.г., кг/с:

кг/с

Удельный расход сухого воздуха и газа на сушку:

;

Расход тепла на сушку Q_c, кДж/с:

Q_c=L_c.г.(I₁-I₀);

Q_c=19,9(168,4-46,6)=2423,82;

Расход топлива на сушку G_T, кг /с:

;

=0,045;

Удельная теплоемкость зерна с_м определяется по формуле:

где с_с- удельная теплоемкость сухого зерна, 1,55 кДж/(кг·К);

с_w- удельная теплоемкость влаги, 4,19 кДж/(кг·К);

w_м -начальная и конечная влажность материала, %.

кДж/(кг К)

кДж/(кг К)

Все параметры сушильного агента берут при средней температуре в сушилке.

°С;

t,0C	, кг/м3	С, кДж/кг·К	·102 Вт/м·К	·106 Па·с	Pr
Дымовые газы
112,5	0,923	1,0715	3,24	20,9	0,687

Объемный расход влажного сушильного агента на выходе из барабана:

22,2;

где: x_ср - среднее содержание влаги в сушильном агенте, кг/кг сухого воздуха;

v₀ -мольный объем, равный v₀=22,4 м³/моль,

М- мольная масса сухого газа, М_с.г=29 кмоль/кг;

М_в -мольная масса воды, М_в=18 кмоль/кг; Т_о=273 К.

Скорость сушильного агента в барабане:

м/с;

где: V_г- объемный расход сушильного агента на выходе из барабана, м³/с;

-коэффициент заполнения барабана.

Определяют режимы движения сушильного агента:

-турбулентный режим;

где: w - средняя скорость воздуха в сушилке, м/с ; - кинематическая вязкость сушильного агента, м²/с; - плотность воздуха в сушилке, кг/м³; - динамическая вязкость сушильного агента, Па·с; D-внутренний диаметр барабана, м;

Коэффициент теплоотдачи ₁' определяют по формулам:

при турбулентном режиме (Re_f 10⁴)

=0,018 810826,79^0,8 1,15 =1104,36

где: - поправочный коэффициент, зависящий от Re и отношения длины сушилки к ее диаметру (L/D) =1,15

Коэффициент теплоотдачи от сушильного агента к стенке барабана за счет вынужденной конвекции

;

где: -коэффициент теплопроводности сушильного агента, кДж/(мсК).

Критерий Нуссельта можно найти из функции вида:

;

где Pr- критерий Прандтля определяется по формуле: Pr=(с·?)/? или по табл.8;

?- коэффициент теплопроводности сушильного агента, кДж/(м·с·К);

- динамическая вязкость сушильного агента, Па·с;

с- удельная теплоемкость сушильного агента, кДж/(кг·К).

Значения константы с и показателя степени n определяются режимом движения сушильного агента. Все параметры сушильного агента выбирают при средней температуре пограничного слоя:

°С;

где t_ст.1 - температура стенки, ^оС, принимаем на (5?10)<t_f.

t,0C	, кг/м3	С, кДж/кг·К	·102 Вт/м·К	·106 Па·с	Pr
110	0,929	1,071	3,218	20,8	0,688

Критерий Грасгофа:

;

где t= t_f.-t_cт. - разность средней температуры потока и стенки, °С Т- средняя температура потока, К, т.е Т=273+t_сл. t_сл1.=(t_f.1+t_ст.1)/2-средняя температура потока, ^оС.

Коэффициент теплоотдачи за счет свободной конвекции ₁”, определяют по формуле:

₁”=Nu_m/D=151,133,218 10^-2/2=2,43 ;

Коэффициент теплоотдачи от сушильного агента к стенке сушилки можно определить по формуле И.М. Фёдорова:

=1,2 (17,89+2,43)=24,38

где k - поправочный коэффициент, учитывающий турбулизацию потока k=1,2?1,3; ₁' и ₁” -коэффициенты теплоотдачи от сушильного агента к стенке барабана за счет вынужденной и естественной конвекции соответственно, Вт/(м²·К).

Для определения ₂ нужно рассчитать наружный диаметр барабана D_н.

Для расчета используют формулы теплопроводности через цилиндрическую стенку. Удельный тепловой поток:

=765,72 Вт;

Наружный диаметр барабана с изоляцией определяют из уравнения:

;

Отсюда находим D_н

г

где: D - наружный диаметр барабана, м. определяется D=D_вн+2₁;

₂-коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(мК), см. таблицу 14.

Отсюда D_н =2,19 м

Толщина слоя изоляции:

₂=(D_н-D)/2=(2,19-2)/2= 0,09м ;

С учетом принятой толщины слоя изоляции уточняют наружный диаметр барабана:

D_н=D_вн+2₁+2₂+2₃=2+2 0,01+2 0,09+2 0,001=2,218 м;

Поверхность теплообмена:

77,37 м²;

При определении ₂' все физические константы выбирают при средней температуре пограничного слоя у стенки:

°С;

где: t_f2 - температура воздуха в цехе, принимаем (18°С?25°С);

t_ст2-температура изолированной наружной стенки барабана, принимаем (40°С?45°С).

t,0C	, кг/м3	С, кДж/кг·К	·102 Вт/м·К	·106 Па·с	Pr
30	1,165	1,005	2,67	18,6	0,701

Критерий Грасгофа:

;

где t= t_f.-t_cт. - разность средней температуры потока и стенки, °С Т- средняя температура потока, К, т.е Т=273+t_сл. t_сл1.=(t_f.1+t_ст.1)/2-средняя температура потока, ^оС.

Критерий Нуссельта можно найти из функции вида:

;

где Pr- критерий Прандтля определяется по формуле: Pr=(с·?)/? или по табл.8; ?- коэффициент теплопроводности сушильного агента, кДж/(м·с·К); - динамическая вязкость сушильного агента, Па·с; с- удельная теплоемкость сушильного агента, кДж/(кг·К).

Расчетное уравнение для определения Nu_м и далее ₂' выбирают по таблице №8:

₂'=Nu_m/D=362,642,67 10^-2/2,218=4,36 ;

Коэффициент теплоотдачи за счет лучеиспускания:

;

где: - степень черноты наружной поверхности сушилки, определяемая по справочным данным.

Для поверхности покрытой масляной краской =0,95; С₀ - коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела; С₀=5,7Вт/(м²К⁴); Т_ст, Т_ср - абсолютные температуры соответственно стенки и окружающей среды, К.

Коэффициент теплоотдачи от наружной стенки барабана в окружающую среду определяют по формуле:

₂=₂'+₂”=4,36+6,0319=10,39;

где: ₂'-коэффициент теплоотдачи за счет естественной конвекции; ₂”- коэффициент теплоотдачи за счет лучеиспускания.

Коэффициент теплопередачи определяют по формуле:

где: ₁ -коэффициент теплопередачи от сушильного агента к стенке сушилки, Вт/(м²·К); - сумма всех термических сопротивлений слоев стенки, (м²·К)/Вт (включая термические сопротивления загрязнений на внутренней поверхности стенки r_з=1/2800 (м·К)/Вт; ₂ -коэффициент теплопередачи от на ружной стенки барабана к окружающему воздуху, Вт/(м²·К).

Средняя разность температур сушильного агента и окружающей среды:

°С

где: = t₁ - t₀ - разность температур сушильного агента на входе в сушилку и окружающей среды; °С; °С

-разность температур сушильного агента на выходе из сушилки и окружающей среды; °С. °С

Так как ?t_б/?t_м=1,18<2, то можно определять как среднеарифметическое значение

=89,5°С

Потери тепла в окружающую среду в кДж/кг влаги находят из основного уравнения теплопередачи

Дж/кг влаги

где: F - площадь наружной поверхности сушилки, м²; -средняя разность температур сушильного агента и окружающей среды, ^оС; К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К); W - количество испаряемой влаги, кг/с.

Приход тепла, кДж/кг влаги	Расход тепла, кДж/кг влаги
1.С сушильным агентом кДж/кг влаги при сушке дымовыми газами: lI0=89,28·168,4=15034,75	1.С сушильным агентом кДж/кг влаги: lI2=89,28·162,2=14481,216
2.С влагой материала кДж/кг влаги: Свлtн =4,19·17=71,23	2.С высушенным материалом кДж/кг влаги: (G2/W)tк==973,97
3.С материалом кДж/кг влаги: (G2/W)tн==403,86	3. Потери в окружающую среду кДж/кг влаги: =156,842
Итого=15509,84	=15612,02

=0,35 %<3%

Количество теплоты, необходимой для нагревания материала.

кДж/кг влаги;

=606,02 кДж/кг влаги

Величину определяют по формуле:

кДж/кг влаги;

Проверим выбор температуры стенки:

; °С;

;°С;

OПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ СУШКИ

Среднее время пребывания материала в сушилке:

с;

где: G_сух -производительность сушилки по абсолютно сухому продукту, кг/с;

W-количество влаги, удаляемой в сушилке, кг/с;

G_м - количество материла находящегося в сушилке;

кг/с;

где: -насыпная плотность материала, кг/м³: кукуруза (770 кг/м³).

Зная время пребывания, рассчитывают угол наклона барабана:

^о;

где: n - частота вращения барабана, об/мин, (см. табл. №16).

Далее проверяют допустимую скорость газов, исходя из условия, что частицы высушиваемого материала наименьшего диаметра не должны уноситься потоком сушильного агента из барабана. Скорость уноса, равную скорости свободного витания, определяют по уравнению:

м/с;

где: ,- вязкость сушильного агента при средней температуре, Па·с;

d- наименьший диаметр зерна; примем (1?10мм);

Все параметры сушильного агента берут при средней температуре в сушилке.

°С;

t,0C	, кг/м3	С, кДж/кг·К	·102 Вт/м·К	·106 Па·с	Pr
Дымовые газы
112,5	0,923	1,0715	3,24	20,9	0,687

Ar - критерий Архимеда:

;

- плотность высушиваемого материала кг/м³.

Средняя плотность сушильного агента:

0,93 кг/м³;

где М_{с. в.} - мольная масса воздуха; М_с.в=29 моль/кг;

М_в - мольная масса водяного пара; М_в=18 моль/кг;

Р₀ - давление, при котором идет процесс сушки; Р₀=10⁵ Па;

р - среднее парциальное давление водяных паров в сушильном барабане;

v₀ - мольный объём; (22,4 м³/моль); Т₀ =273 К.

Парциальное давление водяных паров в сушильном барабане определяют как среднеарифметическую величину между парциальными давлениями на входе газа в сушилку и на выходе из нее.

Парциальное давление водяных паров в газе определяют по уравнению:

;

Па

Па

Среднеарифметическое парциальное давление водяного пара в сушильном барабане:

 Па

Полученное значение скорости уноса частиц w_св. (м/с) сравнивают с рабочей скоростью сушильного агента в сушилке w (м/с).

w_св. =15,55(м/с) >w=9,18 (м/с)

Отсюда следует что скорость уноса частиц продукта больше чем действительная скорость воздушного потока.

ГРАФОАНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА БАРАБАННОЙ СУШИЛКИ С ПОМОЩЬЮ I-D ДИАГРАММЫ

барабан сушилка теплоноситель

Расход сушильного агента и тепла на сушку могут быть определены графоаналитическим путем с помощью изображения процесса на I-D диаграмме.

Расчет выполняют отдельно для зимних и летних условий. На рис. 2 приведено изображение процесса сушки в барабанной сушилке при использовании в качестве сушильного агента воздуха.

При построении процесса сушки сначала на диаграмму наносят точку A, характеризующую состояние воздуха окружающей среды. Пересечение изотермы температуры окружающей среды t₀ и относительной влажности наружного воздуха ?₀ дает точку А.

Построение процесса при сушке топочными газами показано на диаграмме. По найденным значениям влагосодержания и энтальпии топочных газов определяют на диаграмме положение точки Г, характеризующей состояние газов на выходе из топки. Соединяя прямой точку Г с точкой А, выражающей состояние наружного воздуха, определяют в зависимости от принятого соотношения количеств газов и воздуха перед входом в сушилку.

Прямая АМ изображает процесс смешивания газа с воздухом. Дальнейшее построение процесса проводят так же, как для действительной, воздушной сушилки.

Из точки А проводят линию до пересечения с температурой воздуха на выходе из топки t₁. Точка B находится на пересечении энтальпии I₁ и влагосодержании х₁Точка пересечения B характеризует состояние нагретого воздуха перед входом в сушилку. Вертикальный отрезок АВ изображает процесс нагрева воздуха в топке.

Из точки В по линии энтальпии I₁ (I₁= I₂ для теоретического процесса сушки), проводят прямую, которой изображается адиабатический процесс изменения состояния воздуха в сушилке. Пересечение этой линии с изотермой температуры на выходе из сушилки t₂ дает точку С₁, характеризующую состояние отработанного воздуха на выходе из сушилки. Отрезок ВС₁ изображает охлаждение воздуха в процессе сушки. Ломаная АВС₁ - графическое изображение всего процесса изменения состояния воздуха в теоретической сушилке.

Для изображения процесса в действительной сушилке на линии ВС₁ выбирают любую точку е и откладывают от нее вверх (при >0) или вниз (при < 0) отрезок:

;(62)

где:ef - расстояние по горизонтали от точки e до линии АВ;

М=m_I / m_X - отношение масштабов диаграммы; М==1887

_мм

Конец отрезка еЕ (точка Е) лежит на линии процесса в действительной сушилке. Соединяя точки Е и В и продолжая отрезок ЕВ до пересечения с изотермой t₂ что, определяют точку С₁(или С₂), выражающую состояние отработанного воздуха. Линия ВС₁ (или ВС₂) характеризует действительный процесс сушки.

Расход смеси топочных газов с воздухом определяют по уравнению:

;(63)

Удельный расход сухого воздуха и газа на сушку:

;

Расход топлива на сушку:

;(64)

Увеличение влагосодержания смеси топочных газов и воздуха по сравнению с влагосодержанием наружного воздуха, равное (х₁-х_о), обусловлено испарением влаги при сжигании топлива, а также окислением водорода топлива и содержащихся в нем углеводородов.

Таким образом, увеличение влагосодержания смеси происходит вне камеры сушилки. Состояние газов без учета тепла испарения влаги и окисления некоторых компонентов топлива в топке изображается на диаграмме точкой К , лежащей на пересечении линий t₁=const и x₁=const. Расход тепла на 1кг испаренной влаги без учета тепла, затрачиваемого на испарение всей влаги топлива при его сжигании, а также без учета потерь тепла топкой определяют следующим образом:

(65)

Полученные данные сравниваем с результатами аналитического расчета.



Размещено на Allbest.ru