Расчет вспомогательного оборудованияРасчет 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 D 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 Qg – 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, I 1 – 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]; h – коэффициент, учитывающий потери. . Для проверки определим коэффициент теплопередачи аналитически [3, (4.37)] , (49) где a пр – приведенный коэффициент теплопередачи от калорифера воздуху, Вт/(м2×К); a 2 – коэффициент теплопередачи для потока, проходящего внутри трубы, Вт/(м2×К); 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; å r сm – сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений, м2×К/Вт. Определим коэффициент теплоотдачи a 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 a1 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 a пр определяем по рис. 6.10 [3] a 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. , (52) где l ст – коэффициент теплопроводности стенки, Вт/(м·K); d 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 w ср – скорость воздуха в сушилке, м/с; r ср – плотность воздуха при средней температуре в сушилке, кг/м3; m с – коэффициент динамической вязкости воздуха при средней температуре в сушилке, Па×с; r – 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 d = (0,25 – 0,24)/0,25 = 4 %. Определяют запыленность воздуха, предполагая, что уносится 1 % сахара от общей массы. G = G 2/100, где G 2 – производительность сушилки по сухому продукту, кг/с. G = 1,346/100 = 0,0136 кг/с. Тогда запыленность воздуха составит j 1 = G / V, где V – объёмный расход воздуха в летний период, м3/с j 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] D Р / gt = 55, (55) где D Р – гидравлическое сопротивление, мм. вод. ст; gt – удельный вес газа, кг/м3. Гидравлическое сопротивление батарейного циклона при данном соотношении равно D Р = 55 gt = 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]; x – коэффициент гидравлического сопротивления батарейного циклона. Принимаем направляющие аппараты типа «Розетка» с a = 25°, для которых x = 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) D Р = мм. вод. ст. Расхождение составляет D 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 h = 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 = G 2/100 = 1,364/100 = 0,0136 м/с; j 1= G / V = 0,0136/3 = 0,0045 кг/м3. Гидравлическое сопротивление батарейного циклона при соотношении (4.14) составляет D Р = 55 g 63 = 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 н С 1 С 2 С 3 С 4 С 5, (4.15) где q н – нормативная удельная нагрузка, зависящая от вида пыли и её склонности к агломерации, q н = 2 м3/м2·мин [9]; С 1 – коэффициент, характеризующий особенность регенерации фильтровальных элементов; С 1 = 0,7 [9]; С 2 – коэффициент, учитывающий влияние концентрации пыли на удельную газовую нагрузку; С 2 = 1 [9]; С 3 – коэффициент, учитывающий влияние дисперсного состава пыли в газе; С 3 = 1 [9]; С 4 –коэффициент, учитывающий влияние температуры газа, С 4 = 0,84 [9]; С 5 – коэффициент, учитывающий требования к качеству очистки; С 5 = 0,95 [9]. q = 2· 0,7· 1· 1· 0,84· 0,95=1,12 м3/м2· мин. Определим гидравлическое сопротивление фильтровальной перегородки [9]; D pn = K П mw + K 1 mtz вх w 2, (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]; m – коэффициент динамической вязкости, Па·с; m = 20,1·106 Па×с; w – скорость фильтрования, м/с; w = 1,15·10-2 м/с [9, с.15]; K1 – параметр сопротивления слоя пыли; принимают K 1 = 16·109 м/кг [9, с.147]; t – длительность цикла фильтрования; принимают t = 900 с; z вх – концентрация пыли в очищаемом газе; z вх = 0,743·10-3 кг/м3. Подставляя полученные значения в формулу, получают D р п = 1400×106×20,1×10-6×1,15×10-2+16×109×20,1×10-6´ ´900×0,743×10-3×(1,15×10-2)2 = 365 Па Определяют количество регенераций в течение 1 ч: m р = 3600/ (t + t р), (59) где t р – длительность цикла регенерации, с; t 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 н m p t)/3600, (60) где V н – расход очищаемых газов, м3/с. V p = (3×3600×3,83×40)/3600 = 460 м3/ч. Предварительно определяют фильтровальную площадь F ф = (V н+ V p)/60 q, F ф = (10800+460)/60×1,12 = 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 t p m p N c F c = 0,0115×40×3,83×4×55 = 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] t ³ (Nc – 1) t p, (62) (Nc – 1) t 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 DР = DР к + DР с + DР бу + DР в, где DР к – сопротивление калориферной установки, Па; DР с – сопротивление сушильной камеры, Па; DР бу – сопротивление батарейного циклона, Па; DР 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 =2м, размер 0,35´0,35 м, t = 20 °С. Рассчитывают эквивалентный диаметр , где S – площадь поперечного сечения газохода, м2. . Определяют значение критерия Рейнольдса где wr – скорость воздуха, м/с; n – 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 0,30´0,41 м; t = 65 °С; ; . Так как на всех участках Re > 105, то расчет гидравлического коэффициента трения ведут по формуле Альтшуля , (63) где kэ – эквивалентная шероховатость, м; для оцинкованного железа kэ = 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 Dh = h 1+ h 2+ h 3 = 5,1 + 12,96 + 10,28 = 28,34 мм. вод. ст. = 278 Па. Требуемый напор составляет DР = 438+928+566+278 = 2210 Па. Принимают вентилятор марки В-Ц14-46-5К-02, производительность которого составляет Q = 5,55 м3/с, напор DР = 2550 Па, КПД вентилятора h 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, h 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
|