Теплотехнический расчет сушильного барабана

Сушильные барабаны выпускают отечественные машиностроительные заводы для отдельных материалов на разную производительность нескольких типоразмеров диаметром от 1 до 2,8 м и длиной 4 - 20 м. Барабанные сушилки имеют большую производительность, достигающую для глины 40 т/ч.

 

 

3. Теплотехнический  расчет барабанного сушила 

3.1.Исходные  данные

 

Производительность сушильного барабана, т/час  -  8,0

Влажность глины,%

• начальная ωı  - 23,0
• конечная  ω2- 12,0

Температура теплоносителя (дымовые газы), °С

• начальная- 800
• конечная - 100

Температура материала, °

• начальная - 12
• конечная -  80

Параметры воздуха до входа в топку :

• температура, °С – 20
• влажность - ωо, % - 70
• влагосодержание, г/кг сухого воздуха - 10

Плотность сухой глины - ρс , кг / м3 - 1450

Топливо - природный газ Газлинского месторождения

Угол наклона барабана   a = 4°

Режим работы барабанной сушилки - непрерывный. Для сушки глины принимаем прямоточную схему движения теплоносителя, чтобы избежать снижения пластичности глины вследствие ее перегрева и уменьшить   пылеунос. В качестве сушильного агента будем использовать смесь дымовых газов и атмосферного воздуха, т.к. высушиваемый материал не боится загрязнений. Система внутренних устройств - лопастная.

 

 

3.2.Определение конструктивных размеров барабана

 

 Количество  влажного материала, поступающего  на сушку: G1=G2+W

Где G2 - производительность барабана по сухой глине.

 Количество  испаренной влаги:

W  = G2×(ω1 – ω2)/( 100 – ω1) = 8000  (23-12 )/( 100-23 ) = 1143кг/ч

Тогда   Gı = 8000 + 1143 =9143 кг/ч

Количество влаги „содержащейся во влажном материале до сушки:

   Wвл.н = ω1×G1/ 100 = 23 ´ 9143 / 100 = 2103кг/ч

 Количество  влаги, содержащейся в высушенном материале:

Wвл. к = ω2×G2/ 100 =  12 ´ 8000/100 = 960кг/ч

 Основным  показателем по которому можно  определить размеры сушильного  барабана, является объемное напряжение  барабана по влаге, т,е, количество  влаги, испаренной с 1м3 пространства барабана в час. Принимаем объемное напряжение барабана по по влаге mо — 60кг/м´ч

Тогда объем барабана составит : V=W/mₒ  = 1143 / 60 = 19,05 м3

Размеры сушильного барабана выбираем по каталогу завода-изготовителя, т.е. стандартный, исходя из требуемого объема барабана. Отношение длины барабана к его диаметру обычно составляет L / D = 3,5 - 9 Принимаем отношение длины барабана к его диаметру 5,5 и определим его диаметр:

Vбар = S×Lбар = πD2/4 ×Lбар =  (3,14×D2/4)×5,5Dбар =  4,31D3 бар

Dбар = (Vбар/4,31)1/3 =  (19,05/4,31)1/3 = 1,64 м.

Принимаем Dбар = 2,0 м.

Уточняем объем барабана: Vбар = 4,31×D3бар = 4,31×23 = 34,5 м3 .

Определяем площадь сечения и длину барабана:

S = пD2 бар /4 = 0,785×22 = 3,14 м2.

Lбар = Vбар/S = 34,5/ 3,14 = 10,98 м.

Принимаем длину корпуса барабана 12 м.

Тогда  отношение Lбар/Dбар = 6,0 что вполне допустимо.

К установке принимаем барабанную сушилку  размером 2×12 м, объемом 39 м³

Проверяем производительность барабана по высушенной глине и m0:

G2 = W (100 - ω1)/ (ω1 – ω2), где w = m0×Vбар

Тогда G2 = 60×39×(100 - 23)/(23 - 12) = 16380 кг/ч (фактическая производительность по сухой глине).

mₒ= 60 кг/м³´ч

Объемное напряжение барабана по влаге составит 60 кг/м³´ ч

Таким образом, размеры сушильного барабана подходят.

 

3.3. Расчет  горения топлива

 

В качестве топлива применяем природный газ Газлинского месторождения.

Состав и свойства газа приведены в табл. 3.1

Таблица 3.1

Состав сухого газа, % (об)

СН4	С2Н6	С3Н8	C4H10	СО2	N2	Σ
95,6	2,7	0,30	0,50	0,1	0,80	100

 

Принимаем содержание влаги в газе 1,0%. Пересчитываем состав сухого газа на влажный рабочий газ.

СН4вл = СН4с × ( 100- Wр)/100 =95,6´(100-1)/100=94,6%

Другие составляющие газа остаются без изменений.

Состав влажного газа приведен в табл 3.2.

Таблица 3.2

Состав влажного (рабочего) газа, % (об)

СН4	С2Н6	С3Н8	C4H10	СО2	N2	W	Σ
94,6	2,7	0,3	0,5	0,1	0,8	1,0	100

 

Определяем теплоту сгорания газа по формуле Д.И.Менделеева:

Qнр=358,2×CH4+637,5×C2H6+912,5×C3H8+1186,5×С4Н10 , кДж/м3.

Qнр=358,2×94,6+637,5×2,7+912,5×0,3+1186,5×0,5+=36474кДж/м3 .

Находим теоретически необходимое количество сухого воздуха:

L0=0,04762×(2СН4+3,5С2Н6+5СзН8+6,5С4Н10),м3/м3 .

L0=0,04762(2×94,6+3,5×2,7+5×0,3+6,5×0,5)=9,68 м3/м3.

 

Действительное количество воздуха при коэффициенте расхода a=1,0 равно теоретическому, т.е.La=Lₒ=9,68м³/м³

По I-d диаграмме для атмосферного воздуха с параметрами t возд=20ºС, j=70% находим влагосодержание dₒ=10 г/кг сух. возд. Тогда необходимое для горения количество атмосферного воздуха составит:

L0'=(l+0,0016d)L0,м3/м3 .

L0'=(l+0,0016×10) ×9,68 = 9,83 м3/м3.

Находим количество и состав продуктов горения при коэффициенте расхода a=1,0:

V(СО2) = 0,01(С02+СН4+2С2Н6+ЗСзН8+4С4Н10),м3/м3.

V(СО2) = 0,01(0,1+94,6+2×2,7+3×0,3+4×0,5)=1, 03 м3/м3.

V(Н2О) = 0,01(2СН4+ЗС2Н6+4СзН8+5С4Н10+Н2О+0,16dₒLₒ), м3/м3.

V(Н2О) = 0,01(2×94,6+3×2,7+4×0,3+5×0,5+1+0,16×10×9,68)=2,175 м3/м3.

V(N2)   = 0,01N2+0,79Lα, м3/м3.

V(N2)   = 0,01×0,8+0,79×9,68=7,655 м3/м3.

V(О2)   = 0,21(a-1)L0=0,0 м3/м3.

Общее количество продуктов горения:

Vα = V(СО2)+ V(Н2О)+ V(N2) , м3/м3.

Vα = 1,03+2,175+7,655= 10,86 м3/м3.

Определяем процентный состав продуктов горения:

СО2 = V(СО2) ×100/ Vα = 1,03×100/10,86 = 9,48%.

Н2О = V(Н2О) ×100/ Vα =  2,175×100/10,86 = 20,03%.

N2 = V(N2) ×100/ Vα = 7,655×100/10,86= 70,49%  . 

Всего: 100 %

Определяем теоретическую температуру горения природного газа.

Для этого находим теплосодержание продуктов горения при a=1 и

t возд.= 20 ºС

Iобщ=Qнр/Vₒ + С´ tвозд´Lₒ/Vₒ= 36474/10,86+1,03´20´9,68/10,86 =3377 кДж/м3.

По I-t диаграмме  находим теоретическую температуру горения при a=1,0 которая составляет t теор = 1950°С.

Определяем коэффициент избытка воздуха при заданной температуре горения топлива

t теор=tдейств/h, ºС

где h-КПД сушильного барабана. Для сушильного барабана h= 0,78-0,83

Принимаем h=800/0,8=1000 ºС

Из уравнения теплового баланса горения 1м³ топлива определяем коэффициент избытка воздуха

Qнр + Lₒ´Cв´tвозд´a+Сt´tt =[Vₒ=(a-1)Lₒ ]tтеор´Спг

Здесь Спг- темплоёмкость продуктов горения, определяемая по формуле

Спг=1,35+0,000075´tтеор=1,35+0,000075´1000=1,43 кДж/(кг´К)

Находим

36474+9,68´1,03´20a+1,57´20=[10,86+(a-1)´9,68]1000´1,43

Откуда a=2,55

Определяем действительное количество воздуха при коэффициенте  избытка воздуха a=2,55

Сухого воздуха 

La=a • Lо = 2,55´9,68 = 24,684м3/м3

Атмосферного воздуха

L¢a=a • L¢о =2,55 ´ 9,83 = 25,067 м3/м3

Находим количество и состав продуктов горения при коэффициенте расхода a = 2,55:

V¢(СО2) = 1,03 м3/м3;

V¢(Н2О) = 0,01(2´СН4+З´С2Н6+4´СзН8+5´С4Н10+Н2О+0,16´dₒ´a´La), м3/м3.

V¢(Н2О)=0,01(2×94,6+3×2,7+4×0,3+5×0,5+1,0+0,16×10×2,55×24,684)=

=3,027 м3/м3.

V¢(N2)   = 0,01N2+0,79Lα, м3/м3.

V¢(N2)   = 0,01×0,8+0,79×24,684=19,508 м3/м3.

V¢(О2)   = 0,21(a-1)L0=0,21(2,553-1)´9,68=3,151м3/м3.

Общее количество продуктов горения составит:

Va= V¢(СО2) + V¢(Н2О) + V¢(N2)+ V¢(О2= 1,03 + 3,027 + 19,508 + 3,151 = 26,716 м3/м3

Определяем состав продуктов горения:

Р СО2 = 1,03´100 / 26,716= 3,86 %

РН20 = 3,027´100 / 26,716 = 11,33 %

РN2= 19,508´100/26,716=73,02%

РО2 =3,151´100/26,716 =11,79 %

Составляем материальный баланс процесса горения на 100м3 газа при a =2,55 (табл. 3.3)

 

Таблица 3.3.

Материальный баланс процесса горения

ПРИХОД	КГ	%	РАСХОД	КГ	%
ПРИРОДНЫЙ ГАЗ			ПРОДУКТЫ ГОРЕНИЯ
СН4= 0,717 • 94,6	67,83	2,07	СО2 = 1,03 • 100 • 1,977	203,63	6,2
С2Н6= 1,356 • 2,7	3,66	0,12	Н2О = 3,027 • 100 • 0,804	243,37	7,41
СзН8 = 2,02 • 0,3	0,61	0,02	N2 = 19,508 • 100 • 1,251	2440,45	74,35
С4Н10=2,84 • 0,5	1,42	0,04	02 = 3,151 • 100 • 1,429	450,28	13,73
СО2 = 1,977 • 0,2	0,40	0,01	НЕВЯЗКА	-55,48	1,69
N2 = 1,251 • 0,8	1,00	0,03
ВОЗДУХ
О2=100 • Lо • a • 0,21•rН20 = 100•9,68•2,55•0,21•1,42	736,08	22,42
N2=100•Lо• a•0,79•r N2 = 100•9,68 •2,55•0,79•1,251	2439,50	74,32
Н2О=0,16•dо•Lо•a •rН2О =0,16•10•9,68•2,55•0,804	31,75	0,97
ИТОГО	3282,25	100		3282,25	100

Невязка баланса составляет: 100 • 55,48 / 3282,25 = 1,69 %

Находим общее теплосодержание продуктов горения

I общ= Qнр /Va+Св• tвозд • Lₒ / Va = 36474 / 26,716 + 1,03•20•9,68 / 26,716 = 1372,7 кДж/м3

По I-t диаграмме находим действительную температуру горения при a = 2,53

которая составляет  tдейств = 980 °С. Данная температура вполне удовлетворяет требованиям технологического процесса.

3.4.Построение  теоретического и действительного  процессов сушки на I — d диаграмме.

Построение процесса сушки производим по диаграмме Рамзина Л.К. (I — d диаграмма). Сначала производим построение теоретического процесса сушки, т.е. считаем, что в процессе сушки тепло

расходуется только на испарение влаги, не учитывая потери тепла через стенки барабана в окружающую среду и на нагрев материала.

Рис. 3.1 Построение процесса сушки на I -d диаграмме

Теоретический процесс сушки протекает адиабатически, т.е. при условии Iгаз.н=const

dн=804´VН2О / ( 1,977´V О2 +1,251´V N2  ´ 1,429´ V О2)

dн = 804 ´3,027 / ( 1,977 ´1,03 + 1,251 ´19,508 + 1,429 ´ 3,151 ) = 78,64 г/кг.сух.газ.

Точка  В характеризуется начальными параметрами сушильного агента

Тнач.газ = 800°С  и dн = 78,64 г/кг.сух.газ = 0,079 кг/кг.сух.газ.

Эта т.В - характеризует начало теоретического процесса сушки сушильным

агентом т.е. смесью продуктов сгорания топлива с воздухом.

Точка А - характеризуется параметрами окружающего воздуха

tвозд=20 ºС, j=70%, dₒ=10 г/кг сух.возд.= 0,01 кг/кг. сух..газ

От т.В проводим линию до пересечения с изотермой tнач.газ = 100 °С и

определяем положение конечной точки процесса Со.

Теоретический процесс сушки на I —d диаграмме изображается линией В - Со .По I-d диаграмме найдем для точки Со влагосодержание отработанного сушильного агента d2= 405 г/кг.сух.газ. Расход сухих газов (по массе ) при теоретическом процессе сушки:

Gгазтеор = 1000W/(d2 – dн )= = 1000 ´1143 / ( 405- 78,64) =3502,3 кг/ч

Построение действительного процесса в реальных условиях отличается от теоретического тем, что при действительном процессе сушки усиливаются потери тепла в окружающую среду через стенки барабана и расход тепла на нагрев сушимого материала.

Общие тепловые потери будут составлять:

Q= Qм+ Qокр кДж/ч.

Расход тепла на нагрев материала определяем по формуле:

Qм= G2×См×(tк – tн) кДж/ ч.,

где См – теплоемкость высушенного материала  при конечной влажности.

См= С0×( 100 – w2 )/100 + 4,2w1/100, кДж/кг°С.

где С0 – теплоемкость абсолютно сухого материала.

С0= 0,987кДж/(кг°С)

См=0,987×( 100 – 2)/100 + 4,2×12/100 = 1,37 кДж/(кг°С)