Размещено на http://www.allbest.ru/

51

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет сушилки кипящего слоя

1. Описание конструкции и принцип работы сушилки кипящего слоя

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 высушивания.

На рис. 1 показана принципиальная схема сушилки кипящего слоя. Влажный материал из бункера 1 подается в сушильную камеру 2. Сахар перемещается вдоль решетки сушильной камеры с помощью потока теплого воздуха, подаваемого под решетку.

Рис. 1. Принципиальная схема сушильно-охладительной установки

Поток воздуха позволяет поддерживать здесь вихревое состояние сахара, способствующее интенсивной подсушке сахара и перемещению его к разгрузочному устройству. Сушильный агент подается вентилятором 3 и нагревается в калориферной установке 4. Высушенный сахар поступает в охладительную камеру 5, которая конструктивно представляет собой такой же аппарат, как и сушильная камера. Охлажденный сахар поступает в промежуточный бункер 6, а затем на транспортирующее устройство 7. Воздух в охладительную камеру подается вентилятором 8. Отработанный охладительный агент перед выбросом в атмосферу очищается от пыли в батарейном циклоне 9, а затем в рукавном фильтре 10. Транспортировка сушильного агента через сушильную камеру осуществляется с помощью вентилятора 11, а через охладительную камеру - вентилятором 12.

При этом установка находится под небольшим разряжением, что исключает утечку сушильного и охладительного агента через неплотности установки. Отработанный сушильный агент из сушильной камеры очищается в барабанном циклоне 13. Уловленная пыль и мелкая фракция сахара растворяется и направляется в емкости, установленные перед вакуум аппаратами.

Отработанный воздух, уходящий из сушильной камеры, обладает значительной энтальпией, что обуславливает целесообразность использования его в качестве источника вторичных энергоресурсов. Важно учесть, что в отработавшем сушильном агенте содержится значительное количество пара, при конденсации которого выделяется соответствующая теплота при высоких значениях коэффициента теплообмена. Так в установках для сушки сахара - песка прирост энтальпий уходящего сушильного агента за счет теплоты содержащегося в нем пара составляет примерно 200 ч 520 тыс. кДж/ч [1, c. 274]. В качестве утилизаторов теплоты можно применять различные типы теплообменников и специальных устройств.

2. Пример расчета сушилки кипящего слоя

Задание на проектирование. 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 Курска: январь t = - 9,3°C; ц = 88%; июль t = 19,4°C; ц = 67%.

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%. Воздух нагревается с помощью парового калорифера.

3. Методика расчёта

Тепловой расчет

Материальный баланс сушилки. Определяют производительность сушильной установки по сухому продукту [2, c. 51]

(1)

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

(2)

Определение параметров свежего воздуха. На I-x диаграмме (рис. 2) [3, c. 412] по известным параметрам t_ол = 19,4°С и ц_ол = 67% для летних условий и t_оз = -9,3°С и ц_оз = 88% для зимних находят влагосодержание х₀ и энтальпию I₀ свежего воздуха:

летний период: х_0л = 0,009 кг влаги/кг сухого воздуха; I_0л = 45 кДж/кг сухого воздуха;

зимний период: х_0з = 0,003 кг влаги/кг сухого воздуха; I_0з = 1 кДж/кг сухого воздуха.



Рис. 2. I-x диаграмма для построение теоретического и действительного процесса сушки

Определение параметров нагретого воздуха. При нагревании воздуха до температуры t₁ = 100°C его энтальпия увеличивается до значения I₁:

в летних условиях I_1л = 128 кДж/кг сухого воздуха;

в зимних условиях I_1з = 110 кДж/кг сухого воздуха.

Так как нагрев сушильного агента осуществляется через стенку, влагосодержание остается постоянным: х_ол = х_1л и х_оз = х_1з.

Тепловой баланс сушилки. Записывают уравнение внутреннего теплового баланса сушилки

 (3)

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); q_доп - удельный дополнительный подвод теплоты в сушильную камеру, кДж/кг влаги; q_т - удельный подвод теплоты в сушилку с транспортными средствами, кДж/кг влаги; q_м - удельный подвод теплоты в сушильную камеру с высушиваемым материалом, кДж/кг влаги;

(4)

где с_м - теплоемкость высушенного материала, кДж/(кг?К); и₂ - температура высушенного материала на выходе из сушилки,°С; q_п - 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 [2]

(5)

Величина q_доп = 0 и q_т = 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 q_т равнялся бы

(6)

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 (1.4) для летних Д_л и зимних Д_з условий

;

.

Определение параметров отработанного воздуха. Записывают уравнение рабочей линии сушки

. (7)

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: x_1л = 0,009 кг вл./кг с.в.; I_1л = 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:

х_2л = 0,016 кг вл./кг с.в., I_2л = 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

х_2з = 0,009 кк вл./кг с.в., I_2з = 90 кДж/кг с.в.

Расход воздуха на сушку. Рассчитывают расход воздуха на сушку по формуле

. (8)

Расход воздуха в летний период:

.

Расход воздуха в зимний период:

.

Параметры воздуха в сушилке. Определяют среднюю температуру воздуха

(9)

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

(10)

(11)

,

.

Средняя объемная производительность по воздуху

. (12)

В летний период: .

В зимний период: .

Гидродинамический расчет

Фиктивная скорость начала псевдоожижения Рассчитывают фиктивную (на полное сечение аппарата) скорость начала псевдоожижения [4, c. 305]

(13)

где Re - критерий Рейнольдса,

(14)

Ar - критерий Архимеда,

(15)

где м_cр - вязкость воздуха при t_ср = 82,5°С; d_э - эквивалентный диаметр частиц материала; с_ч - плотность частиц высушиваемого материала, кг/мі.

При отсутствии данных о дисперсности продукта ориентировочно принимают величину среднего эквивалентного диаметра кристаллов сахара d_э = 0,6?м [2, c. 10]. Плотность сахара с_ч = 1588 кг/мі [2, c. 41].

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 щ_пс = 0,45 м/с [2, табл. 1].

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 [2, c. 27].

Скорость свободного уноса определяют по формуле

(16)

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

,

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 щ_пс называют числом псевдоожижения К_щ

(17)

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

Расчетное значение К_щ = 3,27 значительно меньше действительного, которое составляет для сахара - песка щ_с.в/щ_пс ? 10 [2, c. 26]. При сушке влажного сахара в псевдоожиженном слое применяют большие значения щ, а К_щ = 3 ч 8 [2, c. 27]. 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 К_щ = 5. Тогда скорость сушильного агента равна

Расчет геометрических характеристик сушилки

Определяют диаметр сушилки d из уравнения расхода

(18)

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.

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

(19)

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

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

(20)

где h - высота псевдоожиженного слоя, м.

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

 (21)

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

(22)

Критерий Рейнольдса

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

(23)

где Nu_yм - диффузионный критерий Нуссельта, Pr_yґм - диффузионный критерий Прандтля,

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

(24)

Коэффициент диффузии водяных паров в воздухе при 20°С

Коэффициент массоотдачи из уравнения (23) равен

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

(25)

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:

(26)

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

Сделав приведенные выше преобразования, получают

(27)

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 t_н = 36°С.

Коэффициент теплоотдачи б определяют из уравнения

(28)

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 t_м = 33°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 Н_с принимают в 4 -5 раз больше высоты псевдоожиженного слоя. Тогда

.

Расход воздуха на охлаждение. Рассчитывают процесс охлаждения сахара-песка с начальной температурой и₂ = 63°С до конечной и₃ = 22°С [2, c. 51].

Количество тепловой энергии, удаляемой при осаждении можно определить по формуле

 (29)

где с_с2 и с_с3 - удельные теплоемкости сахара песка соответственно при температурах и₂ и и₃, кДж/(кг ? К); б_эф - эффективный коэффициент теплоотдачи, Вт/(мІ ? К); F_ч - поверхность межфазного взаимодействия, мІ; ?t_cp - средний температурный напор,°С.

Удельные теплоемкости с_с2 и с_с3 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 б_эф вычисляют по выражению

(30)

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

Средний температурный напор ?t_cp вычисляют как среднелогарифмическую разность температур частиц и и газа t, полагая при этом, что на выходе из слоя температуры газа и материала одинаковы [2, c. 52]



Определяют потребную величину поверхности межфазного взаимодействия

Площадь слоя сахара рассчитывают по формуле

(32)

где f_уд - удельная поверхность 1 кг продукта, мі/кг; с_с - 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 [2, рис. 7] и получают f_уд = 7,8 мІ/кг. На основе опыта промышленной практики принимают Н₀ = 0,1 м и е₀ = 0,5 [2].

Потребное для процесса количество воздуха

Масса сахара в охладительной камере

Время пребывания сахара в сушилке и охлаждающей камере. Определяют среднее пребывание отдельных частиц в сушильной камере [2, c. 42]

(33)

Рассчитывают время сушки с помощью уравнения теплоотдачи по методике, приведенной в работе [3].

где б - коэффициент теплоотдачи от воздуха к продукту, Вт/(мІ?К); F₀ - общая поверхность взаимодействия, мІ/с; ?t_cp - 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 t_м = 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 ф_с = 1,8 мин. Следовательно, высушивание материала до заданной влажности обеспечивается.

Рассчитывают время пребывания частиц сахара в охлаждающей камере по формуле (1.28)

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

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

сушилка тепловой гидродинамический баланс

q₁ = q₂ = q_ст = q_u, (34)

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; q_ст - удельный тепловой поток через стенку газохода (аппарата), Вт/м²; q_u - удельный тепловой поток через слой изоляции, Вт/м².

Величины q₁, q₂, q_ст и q_u можно определить с помощью формул

q₁ = ₁(Т_в - t_ст1) = ₁·t₁, (35)

где ₁ - коэффициент теплоотдачи от нагретого воздуха к стенке газохода, Вт/м²; Т_в - температура нагретого воздуха, ^оС; t_ст1 - температура поверхности стенки газохода со стороны нагретого воздуха, ^оС.

q₁ = (t_u - t_окр) = t₂, (36)

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

(37)

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

 (38)

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, (39)

где t - разность температур между поверхностью слоя изоляции t_u и окружающего воздуха t_окр, ^оС.

t = t_u - t_окр = 40 - 20 = 20 ^оС.

= 9,74 + 0,07·20 = 11,1 Вт/м²К.

q₂ = 11,1· (40 - 20) = 222 Вт/м².

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

₁ = Nu/l_r,

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

Nu = 0,032Re^0,8,

где Re = ·l_r·/ - критерий Рейнольдса; - скорость воздуха в газоходе, м/с; принимаем = 35 м/с; l_r - длина обтекаемой стенки по направлению движения воздуха, м; принимаем l_r = 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 [2, приложение 5].

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

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

₁ = 99250,0312/5 = 61,93 Вт/м²К

Расчет толщины слоя изоляции. Определим температуру стенки газохода со стороны нагретого воздуха по формуле (35)

t_ст1 = T_в - q₁/₁ = 100 - 222/61,93 = 96,42 ^оС.

Из выражения (37) определим температуру стенки газохода со стороны изоляции t_ст2.

t_ст2 = t_ст1 - q_стст/_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 (38) равна

Определение потерь теплоты в окружающую среду. Потери теплоты в окружающую среду определим по формуле

Q_пот = q₂F, (40)

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

F = 4 (a + 2_u) 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.

Q_пот = 2227,72 = 1714 Вт = 1,71 кВт.

Конструктивный расчет

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 60^о. 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.

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 65^оС), 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

(41)

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 = Р_п.с. + Р_р, (42)

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

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

Р_п.с. = ₄· (1 - )·g·H, (43)

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

Р = 218 + 710 = 928 Па.

4. Расчет вспомогательного оборудования

Расчет калорифера

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

Определим среднюю разность температур.

;

;

.

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

Определим расход теплоты на нагрев воздуха

, (44)

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

кВт.

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

м².

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

.

Рассчитаем весовую скорость воздуха в принятой калориферной установке

По таблице 7 [7] определяем коэффициент теплопередачи .

Рассчитаем необходимую поверхность нагрева калориферной установки

, (45)

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

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

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

Определим сопротивление движению воздуха при по таблице 8 [7]

.

Произведем уточненный расчет калориферной установки.

Рассчитаем количество теплоты в калорифере

, (46)

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

Величину Q_g можно определить по формуле

, (47)

где I_0, I₁ - энтальпии воздуха на выходе и входе из калорифера, кДж/кг; L - расход воздуха на сушку в зимних условиях, кг/с

Вычислим расход греющего пара по формуле

, (48)

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

.

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

, (49)

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

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

, (50)

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

Тепловая нагрузка, приходящаяся на один калорифер

.

Удельная тепловая нагрузка калорифера

,

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

.

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

(51)

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

.

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

Определим площадь полной нагруженной поверхности оребренной трубы на единице длины.

Количество ребер на одном метре трубы

,

где S - толщина ребра, мм.

.

Площадь поверхности ребер определим по формуле

,

где D - наружный диаметр оребренной трубы, м.

Площадь поверхности неоребренной части трубы

Площадь полной наружной поверхности трубы на 1 м.

Площадь внутренней поверхности трубы на 1 м.

Определим суммарное термическое сопротивление стенки газохода и загрязнений.

, (52)

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

.

Рассчитаем коэффициент теплопередачи

.

Отклонение значения коэффициента теплопередачи K от ранее принятого составляет

.

Расчет системы очистки отходящего воздуха

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

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

, (53)

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

.

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

Рассчитаем критерий Рейнольдса для условия витания частиц

. (54)

.

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

.

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

d = (0,25 - 0,24)/0,25 = 4%.

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

G= G₂/100,

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

G= 1,346/100 = 0,0136 кг/с.

Тогда запыленность воздуха составит

₁ = G/V,

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

₁ = 0,0136/4,28 = 0,0032 кг/м³.

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

Р/_t = 55, (55)

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

Гидравлическое сопротивление батарейного циклона при данном соотношении равно

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

Определяют количество элементов батарейного циклона

N = 0,287, (56)

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

Размещено на http://www.allbest.ru/

51

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

N = 0,287.

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

Рассчитывают условную скорость газа в корпусе элемента циклона

.

Проверяют гидравлическое сопротивление батарейного циклона по формуле

Р=, (57)

Р = мм. вод. ст.

Расхождение составляет

Р =% = 9,9%.

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

кг/м³.

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

Определяют запыленность воздуха:

G= G₂/100 = 1,364/100 = 0,0136 м/с;

₁=G/V = 0,0136/3 = 0,0045 кг/м³.

Гидравлическое сопротивление батарейного циклона при соотношении (4.14) составляет

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

Определяют количество элементов батарейного циклона

N = .

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

Условная скорость газа в корпусе элемента циклона

м/с.

Рассчитывают гидравлическое сопротивление

мм. вод. ст.

Отклонение от ранее рассчитанного составляет

%.

Рассчитывают запыленность воздуха на выходе из циклона

кг/м³.

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

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



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

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

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

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

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

Определяют удельную нагрузку q, пользуясь выражением

Q = q_нС₁С₂С₃С₄С₅, (4.15)

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

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

Определим гидравлическое сопротивление фильтровальной перегородки [9];

p_n= K_Пw+K₁z_вхw², (58)

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

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

z_вх = 0,743·10^-3 кг/м³.

Подставляя полученные значения в формулу, получают

р_п = 140010⁶20,110^-61,1510^-2+1610⁹20,110^-6

9000,74310^-3(1,1510^-2)² = 365 Па

Определяют количество регенераций в течение 1 ч:

m_р = 3600/ (+_р), (59)

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

m_р = 3600/(900+40) = 3,83.

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

V_p = (V_нm_p)/3600, (60)

где V_н - расход очищаемых газов, м³/с.

V_p = (336003,8340)/3600 = 460 м³/ч.

Предварительно определяют фильтровальную площадь

F_ф = (V_н+V_p)/60q,

F_ф = (10800+460)/601,12 = 167,6 м².

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

фильтрующая поверхность 55 м²;

число рукавов 36;

диаметр рукава 200 мм;

высота рукава 2,45 м;

допустимое разряжение в аппарате 3,5 кПа;

габаритные размеры 3,2 м 1,7 м 5,7 м

Определяют площадь F_p фильтрования, выключаемую на время регенерации [9, (10.1)].

 (61)

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

м².

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

V_p = w _p m_p N_c F_c = 0,0115403,83455 = 388 м³/ч.

Окончательно определяют необходимую площадь фильтрования

м².

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

(N_c - 1)_p, (62)

(N_c - 1)_p = (4 - 1) 40 = 120 с;

900 с > 120 с

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

Выбор вентиляторов

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

Определяют потери напора на пути от вентилятора до циклона по формуле

Р = Р_к + Р_с + Р_бу + Р_в,

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

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

Определяют режим движения воздуха на каждом участке воздуховода.

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

Рассчитывают эквивалентный диаметр

,

где S - площадь поперечного сечения газохода, м².

.

Определяют значение критерия Рейнольдса

где w_r - скорость воздуха, м/с; - кинетическая вязкость воздуха, м²/с,

.

2) участок от калорифера до сушильной камеры:

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

;

.

3) Участок от сушильной камеры до батарейного циклона:

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

;

.

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

, (63)

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

,

,

.

Тогда потери напора на каждом участке рассчитывают по формуле

, (64)

 мм. вод. ст.,

мм. вод. ст.

мм. вод. ст.

Суммарное сопротивление всей длины воздуховодов

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

Требуемый напор составляет

...