Расчет сушильной установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание

Рассчитать сушилку кипящего слоя производительностью G = 0,5 т/ч влажного сахара. Начальная влажность сахара щ1 = 1,9 %, конечная - щ2 = 0,12 %. Параметры воздуха для города Воронеж: январь t = - 9,8 °C; ц = 90 %; июль t = 20,6 °C; ц = 62 %.

Температура воздуха перед сушилкой t1 = 100 °C, температура воздуха после сушки t2 = 65 °C. Температура материала перед сушкой и1 = 30 °C. Потери теплоты q = 10 %.



Введение

Сахар, выделенный из сахарного раствора путем кристаллизации и отделенный от межкристального оттенка, представляющий влажный и горячий кристаллический материал (в виде песка), является объектом сушки на сахарных заводах. Кристаллы сахара полидисперсны. Степень их дисперсности, гранулометрической однородности и форма могут изменяться в зависимости от режима уваривания утфеля, конструкции вакуум-аппаратов, от химического состава сиропа. Способ пробелки и тип применяемых центрифуг при отделении межкристального отёка влияют на влажность и температуру сахара на станции фуговки. При пробелке водой влажность составляет 0,8…1,5 %, температура 50…60 °С, а при пробелке водой и паром - влажность около 0,5 %, температура 90…95 °С. При применении саморазгружающихся центрифуг влажность сахара для облегчения выгрузки поддерживается в пределах 1,0…1,5 %.

Сахар влажностью 0,5…1,5 % и температурой 50…60 °С не может сохраняться длительное время. Сахароза в присутствии воды гидролизуется, образуя инвертный сахар с пониженной пищевой ценностью. Находящиеся в воздушной окружающей среде и в сахаре микроорганизмы используют продукты распада сахарозы и ее саму для своего обмена веществ, сбраживая их и, таким образом, окончательно разрушая сахар как продукт.

Таким образом, в целях длительной сохранности сахара его следует обезводить и охладить до устойчивого равновесного состояния с окружающей воздушной средой.

Процесс сушки сахара в предлагаемом для проектирования аппарате происходит в кипящем, или псевдоожиженном, слое. Это позволяет значительно увеличить площадь поверхности контакта сахара с сушильным агентом и сократить время высушивани



1. Расчет сушильной установки

1.1 Расчет количества влаги, удаляемой из материала

Материальный баланс сушилки. Определяют производительность сушильной установки по сухому продукту

где G1 - производительность по влажному продукту, кг/с; щ1 - начальная влажность продукта, %; щ2 - конечная влажность продукта, %.

Рассчитывают количество удаляемой влаги из высушиваемого материала по формуле

1.2 Определение параметров свежего воздуха

На I-x диаграмме по известным параметрам tол = 20,6 °С и цол = 62 % для летних условий и tоз = -9,8 °С и цоз = 90 % для зимних находят влагосодержание х0 и энтальпию I0 свежего воздуха:

летний период: х0л = 0,009 кг влаги/кг сухого воздуха; I0л = 45 кДж/кг сухого воздуха;

зимний период: х0з = 0,003 кг влаги/кг сухого воздуха; I0з = 1 кДж/кг сухого воздуха.



1.3 Определение параметров нагретого воздуха

При нагревании воздуха до температуры t1 = 100 °C его энтальпия

увеличивается до значения I1:

в летних условиях I1л = 128 кДж/кг сухого воздуха;

в зимних условиях I1з = 110 кДж/кг сухого воздуха.

Так как нагрев сушильного агента осуществляется через стенку, влагосодержание остается постоянным: хол = х1л и хоз = х1з.

1.4 Тепловой баланс сушилки

Записывают уравнение внутреннего теплового баланса сушилки

где ? - разность между удельным приходом и расходом теплоты непосредственно в сушильной камере, кДж/кг влаги; с - теплоемкость влаги во влажном материале при температуре и1, кДж/(кг?К); qдоп - удельный дополнительный подвод теплоты в сушильную камеру, кДж/кг влаги; qт - удельный подвод теплоты в сушилку с транспортными средствами, кДж/кг влаги; qм - удельный подвод теплоты в сушильную камеру с высушиваемым материалом, кДж/кг влаги;

где см - теплоемкость высушенного материала, кДж/(кг?К); и2 - температура высушенного материала на выходе из сушилки, °С; qп - удельные потери теплоты в окружающую среду, кДж/кг влаги.

Температуру материала в псевдоожиженном слое принимают на 2 градуса ниже температуры отработанного воздуха. Тогда температура материала в слое равна 63 °С. Принимая модель полного перемешивания материала в псевдоожиженном слое, можно считать температуру высушенного материала равной температуре материала в слое, т. е. и2 = 63 °С. Теплоемкость высушиваемого сахара рассчитывают по формуле

Величина qдоп = 0 и qт = 0, так как дополнительный подвод теплоты в сушильную камеру отсутствует, а удельный подвод теплоты с транспортными средствами в рассматриваемом случае равен нулю.

Теплоемкости влаги при температуре и1 = 30 °С равна с = 4,199 кДж/(кг?К).

Рассчитывают удельные потери теплоты в окружающую среду, которые составляют 10 % от удельного расхода теплоты на процесс сушки. В теоретической сушилке процесс сушки шел бы по линии постоянной энтальпии, т. е. I1 = const и удельный расход теплоты qт равнялся бы



,

где х'2 - влагосодержание отработанного воздуха в теоретической сушилке, кг влаги/кг сухого воздуха.

Удельные потери теплоты в летний период:

.

Удельные потери теплоты в зимний период:

Рассчитывают внутренний тепловой баланс сушилки по формуле для летних Дл и зимних Дз условий ъ

1.5 Определение параметров отработанного воздуха

Записывают уравнение рабочей линии сушки

.

Строят рабочую линию сушки в летний период на диаграмме I-x, для этого необходимо знать координаты (x и I) минимум двух точек. Координаты одной точки известны: x1л = 0,009 кг вл./кг с.в.; I1л = 128 кДж/кг с.в.

Для нахождения координат второй точки задаются произвольным значением х и определяют соответствующее значение I. Пусть х = 0,02 кг вл./кг с.в. Тогда

Через две точки на диаграмме I-x проводят линию сушки до пересечения с заданным конечным параметром t2 = 65 °С и находят параметры отработанного сушильного агента:

х2л = 0,016 кг вл./кг с.в., I2л = 108 кДж/кг с.в.

Аналогично определяют параметры отработанного сушильного агента в зимний период.

Уравнение рабочей линии сушки

При х = 0,01 кг вл./кг с.в.

Параметры отработанного воздуха

х2з = 0,009 кк вл./кг с.в., I2з = 90 кДж/кг с.в.

1.6 Определение расхода воздуха на сушку

Рассчитывают расход воздуха на сушку по формуле

,

Расход воздуха в летний период:

.

Расход воздуха в зимний период:

.

1.7 Параметры воздуха в сушилке

Определяют среднюю температуру воздуха

где t1 - температура воздуха на входе в сушилку, °С; t2 - температура отработанного воздуха, °С;

.

Среднее влагосодержание воздуха в сушилке

.

Среднее влагосодержание воздуха в сушилке

летом:

зимой:

Среднюю плотность сухого воздуха и водяных паров определяют по формулам

,

,

Средняя объемная производительность по воздуху

.

В летний период: .

В зимний период: .

1.8 Фиктивная скорость начала псевдоожижения

Рассчитывают фиктивную (на полное сечение аппарата) скорость начала псевдоожижения

,

где Re - критерий Рейнольдса,

,

Ar - критерий Архимеда,

,

где мcр - вязкость воздуха при tср = 82,5 °С; dэ - эквивалентный диаметр частиц материала; сч - плотность частиц высушиваемого материала, кг/мі.

При отсутствии данных о дисперсности продукта ориентировочно принимают величину среднего эквивалентного диаметра кристаллов сахара dэ = 0,6?м [2, c. 10]. Плотность сахара сч = 1588 кг/мі.

Полученная величина критической скорости значительно отличается от экспериментальных значений, так как точной аналитической зависимости для определения скорости начала псевдоожижения не существует. В этом случае значение критической скорости выбирают с учетом опыта промышленной эксплуатации сушилок с псевдоожиженным слоем сахара - песка и принимают щпс = 0,45 м/с .

1.9 Скорость свободного уноса

Для сушилок с псевдоожиженным слоем дисперсного материала одним из характерных показателей их работы является величина уноса, т.е. количество материала, вынесенного из слоя и далее из аппарата ожижающим агентом. Применительно к большинству технологических процессов унос нежелателен, поэтому за счет конструктивных и эксплуатационных мероприятий стремятся сократить величину уноса. В установках с псевдоожиженным слоем сахара - песка унос частиц продукта размером 0,25 мм и менее предусматривается специально, так как из-за наличия их в сахаре-песке длительное хранение его становится невозможным. В среднем в сахаре содержится от 0,5 до 2 % мелких частиц.

Скорость свободного уноса определяют по формуле

,

Рассчитывают критерий Архимеда для частиц сахара диаметром d = 0,25 мм

,

1.10 Рабочая скорость сушильного агента

В промышленных условиях для псевдоожижения сахара песка используют рабочие скорости в 1,2-8,0 раз большие, чем скорость начала псевдоожижения. Отношение рабочей скорости начала псевдоожижения щ к скорости начала псевдоожижения щпс называют числом псевдоожижения Кщ

Интервал чисел псевдоожижения, в котором может существовать псевдоожиженный слой, характеризуется отношением скоростей уноса щс.в. и начала псевдоожижения щпс

Расчетное значение Кщ = 3,27 значительно меньше действительного, которое составляет для сахара - песка щс.в/щпс ? 10. При сушке влажного сахара в псевдоожиженном слое применяют большие значения щ, а Кщ = 3 ч 8. С увеличением числа псевдоожижения происходит интенсификация перемещения зернистых частиц в псевдоожиженном слое и увеличивается порозность слоя. Так как по заданию высушиваемый сахар имеет высокую влажность, щ1 = 1,9 %, то принимаем Кщ = 5. Тогда скорость сушильного агента равна



1.11 Расчет геометрических характеристик сушилки

Определяют диаметр сушилки d из уравнения расхода

,

Сушилка диаметром d = 0,49 м не пригодна для эксплуатации в промышленных условиях, так как не обеспечивает нормального течения производственного процесса вследствие низкой производительности G1 = 0,5 т/ч. Поэтому вносят поправку в исходные данные и принимают производительность сушилки G1 = 5 т/ч. Уточняют изменившиеся параметры.

Производительность сушилки по сухому продукту

Количество удаляемой влаги

Расход воздуха на сушку определяют по формуле (8):

летом

зимой

Среднюю объемную производительность по воздуху рассчитывают по формуле (12):

летом

зимой

Определяют площадь поперечного сечения сушильной камеры из уравнения расхода

Принимают сушильную камеру прямоугольного сечения с длиной а = 1,9 м и шириной в = 1 м.

1.12 Высота псевдоожиженного слоя

Рассчитывают высоту псевдоожиженного слоя, необходимую для удаления свободной влаги (что имеет место в данном случае).

Решая совместно уравнения материального баланса и массопередачи, получают

,

где S - поперечное сечение сушилки, мІ; х и х? - рабочее и равновесное влагосодержание воздуха, кг влаги/кг сухого воздуха; F - поверхность высушиваемого материала, мІ; сср - плотность сухого воздуха при средней температуре в сушилке, кг/мі.

При условии шарообразности частиц поверхность высушиваемого материала dF можно заменить следующим выражением



,

где h - высота псевдоожиженного слоя, м.

Разделяя переменные и интегрируя полученное выражение при условии постоянства температур частиц по высоте, находят

,

Равновесное содержание влаги в сушильном агенте х? определяют по I-x диаграмме как абсциссу точки пересечения рабочей линии сушки с линией постоянной относительной влажности ц = 100 %. Для летних условий х? = 0,022 кг/кг. При этом левая часть уравнения (1.17) равна

Порозность псевдоожиженного слоя е при известном значении рабочей скорости может быть вычислена по формуле

,

Критерий Рейнольдса

Коэффициент массоотдачи ву при испарении поверхностной влаги может быть рассчитан с помощью уравнения 

где Nuyм - диффузионный критерий Нуссельта,

,

Pryґм - диффузионный критерий Прандтля,

Коэффициент диффузии водяных паров в воздухе при средней температуре в сушилке равен

,

Коэффициент диффузии водяных паров в воздухе при 20 °С

Коэффициент массоотдачи из уравнения равен

Подставляя вычисленные значения в уравнение (21), определяют высоту псевдоожиженного слоя выслушиваемого материала h:

,

откуда

Производят аналогичные расчеты для процесса сушки в зимний период, когда равновесное содержание влаги в сушильном агенте х? = 0,016 кг/кг.

Тогда левая часть уравнения (1.21) равна

А уравнение (21) примет вид

откуда .

Проверяют правильность определения величины h по опытным данным для теплоотдачи в псевдоожиженных слоях. Приравнивают уравнение теплового баланса и уравнение теплоотдачи:

,

где с - теплоемкость воздуха при средней температуре, °С; б - коэффициент теплоотдачи, Вт/(мІ?К); t - температура газа, °С; tм - температура материала, °С.

Сделав приведенные выше преобразования, получают

,

Принимая модель полного перемешивания материала в псевдоожиженном слое, можно считать температуру материала равной температуре мокрого термометра. Последнюю находят по параметрам сушильного агента с помощью I-x диаграммы. Для летнего периода tн = 36 °С.

Коэффициент теплоотдачи б определяют из уравнения

,

где Nu - критерий Нуссельта, Pr - критерий Прандтля, л - коэффициент теплопроводности воздуха при средней температуре, Вт/(м?К).

Коэффициент теплоотдачи равен:

Подставляя найденные значения в уравнение (21), определяют высоту псевдоожиженного слоя, необходимую для испарения влаги:

откуда

Аналогично рассчитывают величину h для сушки в зимний период. Температура мокрого термометра tм = 34 °С. Подставляют найденные значения в уравнение (21) и получают

откуда

Сравнивая величины, рассчитанные на основании опытных данных по массоотдаче

и теплоотдаче

можно заключить, что они удовлетворительно совпадают.

Рабочую высоту псевдоожиженного слоя H принимают на основе опыта эксплуатации сушильных установок для сахара-песка в псевдоожиженном слое, т. е. H = 0,2 м [2, c. 40].

Высоту сепарационного пространства сушилки с псевдоожиженным слоем Нс принимают в 4 -5 раз больше высоты псевдоожиженного слоя. Тогда .

1.13 Расход воздуха на охлаждение

Рассчитывают процесс охлаждения сахара-песка с начальной температурой и2 = 63 °С до конечной и3 = 22 °С.

Количество тепловой энергии, удаляемой при осаждении можно определить по формуле

где сс2 и сс3 - удельные теплоемкости сахара песка соответственно при температурах и2 и и3, кДж/(кг ? К); бэф - эффективный коэффициент теплоотдачи, Вт/(мІ ? К); Fч - поверхность межфазного взаимодействия, мІ; ?tcp - средний температурный напор, °С.

Удельные теплоемкости сс2 и сс3 рассчитывают по формуле (5). При этом учитывают, что на охлаждение сахар поступает недосушенным, со средней влажностью примерно 0,2 %, а после охлаждения до температуры 22 - 25 °С он имеет более низкую влажность 0,12 %.

Рассчитывают количество теплоты, удаляемое при охлаждении продукта, пренебрегая незначительным изменением производительности G2 за счет понижения влажности от 0,2 % до 0,12 %.

Величину эффективного коэффициента теплоотдачи бэф вычисляют по выражению

Из опыта эксплуатации охладителей сахара принимают фиктивную скорость фильтрации воздуха через слой v = 1 м/с. Тогда

Средний температурный напор ?tcp вычисляют как среднелогарифмическую разность температур частиц и и газа t, полагая при этом, что на выходе из слоя температуры газа и материала одинаковы

,

Определяют потребную величину поверхности межфазного взаимодействия

Площадь слоя сахара рассчитывают по формуле

,

где fуд - удельная поверхность 1 кг продукта, мі/кг; сс - плотность сахара, кг/мі; е0 и Н0 - соответственно порозность и высота неожиженного слоя материала.

Удельную поверхность 1 кг продукта при определяют по графику, приведенному в работе и получают fуд = 7,8 мІ/кг. На основе опыта промышленной практики принимают Н0 = 0,1 м и е0 = 0,5.

Потребное для процесса количество воздуха

Масса сахара в охладительной камере

Определяют среднее пребывание отдельных частиц в сушильной камере

Рассчитывают время сушки с помощью уравнения теплоотдачи по методике, приведенной в работе.

,



где б - коэффициент теплоотдачи от воздуха к продукту, Вт/(мІ?К); F0 - общая поверхность взаимодействия, мІ/с; ?tcp - средняя разность температур, °С;

Расход теплоты Q, получаемой в сушилке материалом от горячего воздуха, складывается из следующих слагаемых (принимая приближенно, что вся влага испарится при tм = 33 °С):

нагрев влажного материала:

испарение влаги:

нагрев высушенного материала:

Составляя полученные данные видно, что теоретическое время сушки частиц сахара ф = 4,4 с меньше действительного фс = 1,8 мин. Следовательно, высушивание материала до заданной влажности обеспечивается.

Рассчитывают время пребывания частиц сахара в охлаждающей камере по формуле



2. Определение размеров газохода, толщины слоя изоляции и потерь теплоты в окружающую среду

2.1 Расчет коэффициента теплоотдачи от поверхности изоляции в окружающую среду

Температура поверхностей аппаратов и газоходов в пищевой промышленности должна быть не более 30-40 оС [5], поэтому их необходимо теплоизолировать.

Для расчета толщины слоя изоляции рассмотрим процесс теплопередачи через многослойную плоскую стенку. В данном случае стенка состоит из двух слоев - стальная стенка газохода и слой изоляции.

Так как процесс теплопередачи - установившийся процесс, то можно записать следующее равенство

q1 = q2 = qст = qu,

где q1 - удельный тепловой поток от греющего воздуха к стенке, Вт/м2; q2 - удельный тепловой поток от поверхности слоя изоляции к окружающему воздуху, Вт/м2; qст - удельный тепловой поток через стенку газохода (аппарата), Вт/м2; qu - удельный тепловой поток через слой изоляции, Вт/м2.

Величины q1, q2, qст и qu можно определить с помощью формул

q1 = 1(Тв - tст1) = 1·t1,

где 1 - коэффициент теплоотдачи от нагретого воздуха к стенке газохода, Вт/м2; Тв - температура нагретого воздуха, оС; tст1 - температура поверхности стенки газохода со стороны нагретого воздуха, оС.



q1 = (tu - tокр) = t2,

где - суммарный коэффициент теплоотдачи лучеиспускателем и конвекцией, Вт/(м2·К); tu - температура наружной поверхности слоя изоляции, оС; (принимаем tu = 40 оС); tокр - температура окружающего воздуха, оС; tокр = 20 оС.

,

где ст - толщина стенки газохода, м; ст - коэффициент теплопроводности, Вт/м*К.

,

где u - толщина слоя изоляции, м; u - коэффициент теплопроводности материала изоляции, Вт/мК.

Теплоотдача от поверхности изоляции к окружающей среде осуществляется конвекцией и лучеиспусканием. Для расчета тепловых потерь аппаратов или газоходов, находящихся в закрытых помещениях, при температуре поверхности до 150 оС, можно использовать приближенную формулу [3]

= 9,74 + 0,07·t,

где t - разность температур между поверхностью слоя изоляции tu и окружающего воздуха tокр, оС.

t = tu - tокр = 40 - 20 = 20 оС.

= 9,74 + 0,07·20 = 11,1 Вт/м2К.

q2 = 11,1· (40 - 20) = 222 Вт/м2.

2.2 Расчет коэффициента теплоотдачи от нагретого воздуха к стенке газохода

Для расчета коэффициента теплоотдачи от нагретого воздуха к стенке газохода используем формулу

1 = Nu/lr,

где Nu - критерий Нуссельта при вынужденном движении воздуха вдоль плоской стенки.

Nu = 0,032Re0,8,

где Re = ·lr·/ - критерий Рейнольдса; - скорость воздуха в газоходе, м/с; принимаем = 35 м/с; lr - длина обтекаемой стенки по направлению движения воздуха, м; принимаем lr = 5 м; - плотность воздуха, кг/м3; при t = 100 оС; = 0,916 кг/м3; = 0,0312 Вт/(м·К) - коэффициент теплопроводности; - коэффициент динамической вязкости , Па·с; = 2,19·10-5 Па·с

Re = 3550,916/2,1910-5 = 7319635

Nu = 0,032 (7319635)0,8 = 9925;

1 = 99250,0312/5 = 61,93 Вт/м2К

2.3 Расчет толщины слоя изоляции

Определим температуру стенки газохода со стороны нагретого воздуха по формуле



tст1 = Tв - q1/1 = 100 - 222/61,93 = 96,42 оС.

Из выражения (37) определим температуру стенки газохода со стороны изоляции tст2.

tст2 = tст1 - qстст/ст = 96,42 - 2220,001/17,5 = 96,41 оС.

В качестве изоляционного материала принимаем кизельгур [3], так как использование стекловолокна, минеральной ваты или асбеста не целесообразно в связи с тем, что волокна этих веществ при попадании в организм человека могут вызвать появление злокачественных опухолей [6].

Коэффициент теплопроводности изоляционного материала u = 0,072 Вт/мК. Тогда толщина слоя изоляции из уравнения равна

2.4 Определение потерь теплоты в окружающую среду

Потери теплоты в окружающую среду определим по формуле

Qпот = q2F,

где q2 - удельная тепловая нагрузка, Вт/м2; F - площадь наружной поверхности слоя изоляции газохода, м2.

F = 4 (a + 2u) l,

где l - длина газохода, l = 5 м; а - длина ребра газохода, м.

Длину ребра газохода определим из уравнения расхода.

= 4,3/35 = 0,35 м = 350 мм.

F = 4(0,35 + 20,018) 5 = 7,72 м2.

Qпот = 2227,72 = 1714 Вт = 1,71 кВт.

2.5 Расчет гидравлического сопротивления сушилки

Сушильная камера представляет собой камеру прямоугольного сечения, длина которой 1,9 м, ширина 1 м. Высоту камеры с учетом проведенного ранее технологического расчета принимаем равной 1,5 м.

Для загрузки влажного сахара в сушильную камеру применяем пневматический забрасыватель. Он состоит из приемного бункера, трубопровода для воздуха; крана и короба.

Регулирование подачи влажного сахара осуществляется задвижкой 5.

Принцип действия забрасывателя основан на использовании разности давлений под решеткой камеры и над ней. Часть воздуха из камеры с давлением Р1 направляется по трубопроводу в короб. Короб имеет сужающуюся часть, выполняющую роль сопла.

Подача воздуха регулируется краном.

Двигаясь по коробу, воздух увеличивает скорость в сужающейся части, подхватывает падающий сахар и со скоростью забрасывает его в камеру. Сахар попадает на решетку и переходит в псевдоожиженное состояние. При взаимодействии с потоком горячего теплоносителя происходит массообмен. Частицы сахара нагреваются и теряют влагу.

Решетка сушильной камеры состоит из отдельно приваренных к швеллеру колосников, образующих между собой угол 60о. Устройство решетки показано на рисунке. Горячий теплоноситель на подходе к решетке имеет скорость 2,25 м/с, это скорость воздуха, при которой происходит псевдоожижение сахара. Такая же скорость и над решеткой, а в узких зазорах между колосниками скорость воздуха в 25 раз выше. Этим обеспечивается фонтанирование сахара. теплоотдача изоляция вентилятор сушильный

Найдем скорости воздуха по некоторым сечениям камеры, а именно, по сечениям решетки.

Зная, что в сушилке 23 колосника и ширина сушилки 1 м можно определить площадь любого сечения.

S1 = 1,9·1 = 1,9 м2;

S2 = 23·1·0,056 = 1,288 м2;

S3 = 23·1·0,033 = 0,759 м2;

S4 = 23·1·0,021 = 0,483 м2;

S5 = 23·1·0,010 = 0,230 м2;

S6 = 23·1·0,004 = 0,092 м2;

Так как температуру в сечениях S1 - S6 определить теоретически невозможно, принимаем условно некоторую среднюю температуру (температуру восходящего потока t 100 оС, нисходящего t 65оС), t1 = 65 оС, t2 = 70 оС, t3 = 80 оС, t4 = 90 оС, t5 = 95 оС, t6 = 100 оС. Тогда скорость воздуха можно определить по формуле

1 = 4,28/1,0·1,9 = 2,25 м/с;

2 = 4,28/0,996·1,288 = 3,34 м/с;

3 = 4,28/0,967·0,759 = 5,83 м/с;

4 = 4,28/0,941·0,483 = 9,42 м/с;

5 = 4,28/0,929·0,230 = 20 м/с;

6 = 4,28/0,916·0,092 = 50,79 м/с.

Из расчета видно, что в узких зазорах между колосниками скорость воздуха достигает значения 6 = 50,79 м/с, следовательно, режим фонтанирования в сушилке обеспечивается.

Рассчитаем гидравлическое сопротивление сушилки

Р = Рп.с. + Рр,

где Рп.с. - сопротивление псевдоожиженного слоя, Па; Рр - сопротивление решетки, Па; принимаем Рр = 710 Па [1, c. 320].

Сопротивление псевдоожиженного слоя определим по формуле [4, c. 308].

Рп.с. = 4· (1 - )·g·H.

Рп.с. = 1588· (1 - 0,93) 9,81·0,2 = 218 Па.

Р = 218 + 710 = 928 Па.



3. Расчет вспомогательного оборудования

3.1 Расчет и подбор 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 tср = 38,2 оС, что соответствует требуемым нормам.

Определим расход теплоты на нагрев воздуха

,

где L - количество нагретого воздуха, кг/с; 1,005 - теплоемкость воздуха, кДж/(кг·K); tк, tн - 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

о таблице 7 [7] определяем коэффициент теплопередачи .

Рассчитаем необходимую поверхность нагрева калориферной установки

,

где Tср - средняя температура теплоносителя, оС; tср - средняя температура воздух, оС.

При насыщенном паре давлением более 0,03 МПа пренебрегают Tср = tn, т.е. в данном случае Tср = 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

,

где Qg - расход теплоты в калорифере в зимних условиях, кВт; Qпот - потери тепла в газоходе от калорифера до сушильной камеры, кВт.

Величину Qg можно определить по формуле

,

где I0, 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

,

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)]

,

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

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

,

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]; dвн - внутренний диаметр трубы; dвн = 0,018 м.

Тепловая нагрузка, приходящаяся на один калорифер

.



Удельная тепловая нагрузка калорифера

,

где Fвн - площадь внутренней поверхности трубок, м2; n - количество трубок.

.

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

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 1м.

Определим суммарное термическое сопротивление стенки газохода и загрязнений.

, (

где ст - коэффициент теплопроводности стенки, Вт/(м·K); ст - толщина стенки трубы, м; rз.1 и rз.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

.

3.2 Расчет системы очистки охлаждающего 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

,

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

.

.

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,

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

Гидравлическое сопротивление батарейного циклона при данном соотношении равно

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

Определяют количество элементов батарейного циклона



N = 0,287,

где Qр - 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.

Рассчитывают условную скорость газа в корпусе элемента циклона

Проверяют гидравлическое сопротивление батарейного циклона по формуле

Р=,

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.

3.3 Расчет и 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 Vc = 4,28 м3/с, а на охлаждение - Vохл = 3 м3/с.

Определяют потери напора на пути от вентилятора до циклона по формуле

Р = Рк + Рс + Рбу + Рв,

где Рк - сопротивление калориферной установки, Па; Рс - сопротивление сушильной камеры, Па; Рбу - сопротивление батарейного циклона, Па; Рв - 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 =2м, 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 = 5м, 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

, (58)

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

,

,

.

Тогда потери напора на каждом участке рассчитывают по формуле

,

мм. вод. ст.,

мм. вод. ст.

мм. вод. ст.

Суммарное сопротивление всей длины воздуховодов

h = h1+h2+h3 = 5,1 + 12,96 + 10,28 = 28,34 мм. вод. ст. = 278 Па.

Требуемый напор составляет

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.

Таблица 1 - Технические характеристики центробежных вентиляторов

Марка	Q, м3/с	Па	n ,c-1
В-Ц14-46-5К-02 В-Ц14-46-8К-02 В-Ц14-46-8К-02 В-Ц14-49-8-01 ЦП-40-8К	3,67 4,44 5,55 5,28 6,39 7,78 6,94 9,72 11,95 12,50 15,25 18,0 1,39-6,95	2360 2450 2550 1770 1820 1870 2450 2600 2750 5500 5600 5700 1470-3820	24,1 16,15 16 24,15 26,65	0,71 0,73 0,70 0,68 0,61

Р= Рохл.к+Рб.у+Рр.ф.+Рв,

где Рохл.к - сопротивление охладительной камеры, Па; Рр.ф - сопротивление рукавного фильтра, Па; Рв - 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.

;

>100000;

.

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.

;

>100000;

;

мм. вод. ст. = 127 Па.

Суммарные потери газохода

Рв= 156 + 127= 283 Па.

Тогда общие потери равны

Р = 928+ 566+ 451+ 283= 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.



Заключение

Сушилки с кипящим слоем являются одним из прогрессивных типов аппарата для сушилки. Процесс в кипящем слое позволяет значительно увеличить поверхность контакта между частицами материала и сушильным агентом, интенсифицировать испарение влаги из материала и сократить (до нескольких минут) продолжительность сушки. Сушилки с кипящим слоем в настоящее время успешно применяются не только для сушки сильносыпучих зернистых материалов (например, минеральных и органических солей), но и материалов, подверженных комкованию, а также пастообразных материалов, растворов, расплавов и суспензий.



Список используемой литературы

1. Гинзбург А.С. Расчет и проектирование сушильных установок пищевой промышленности. - М.: Агропромиздат, 1985. - 336 с.

2. Заборсин А.Ф., Дмитрюк А.А. Сушка и охлаждение сахара-песка в псевдоожиженном слое.- М.: Пищевая промышленность, 1979. - 100 с.

3. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. -Л.: Химия, 1981. - 560 с.

4. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн.-М.: Химия, 1991. - 496 с.

5. Маньковский О.Н., Полянский А.Р., Александров Н.В.Теплообменная аппаратура химических производств. - Л.: Химия, 1976. - 458 с.

6. Проблемы аппаратурного обеспечения производства строительных материалов, изделий и конструкций. Тезисы международной конференции «Ресурсосбережение технологии стройматериалов», Белгород,1993.

7. Рысин С.А. Вентиляционные установки машиностроительных заводов. Справочник. - М.: Машиностроение,1964. - 704 с.

8. Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов: Справ. изд. Ашев Г.М.-М.: Металлургия,1986. - 544 с.

9. Романков П.Г., Рашковская Н.Б. Сушка во взвешенном состоянии.-Л.: Химия, 1979. - 272 с.

10. Гребенюк С.М. Технологическое оборудование сахарных заводов. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983. - 520 с.

Размещено на Allbest.ru

...