Теплотехнический расчёт сушильного барабана для сушки глины

Теплотехнический  расчёт сушильного барабана для сушки  глины

Сушка представляет собой тепловую обработку материалов с целью удаления из них влаги путём испарения. Испарение влаги из материала происходит при условии, когда окружающая среда не насыщена влагой и способна воспринять водяные пары от поверхности материала. Следовательно, при сушке необходимо, чтобы концентрация (парциальное давление) водяного пара непосредственно у поверхности влажного материала (Рпов) была больше, чем концентрация водяных паров в окружающей газовой среде (Ргаз).

Интенсивность сушки будет тем выше, чем больше разность парциальных давлений пара на поверхности материала и окружающей среды и больше приток тепла к поверхности материала.

По технологическим требованиям производства сушила должны обеспечить заданную производительность, возможную гибкость регулирования процесса и соблюдения оптимального режима сушки, чтобы получить наилучшее качество сушимого материала при наименьших затратах. При этом большое значение имеет равномерность сушки материалов или изделий по всему объёму рабочего пространства сушил.

Применяемые в промышленности сушила можно классифицировать по ряду конструктивных, технологических и других признаков. По виду обрабатываемого материала они разделяются на сушила для сушки изделий и сушки сыпучих кусковых материалов. По конструкции сушильного пространства – туннельные, шахтные, барабанные, камерные. По способу подачи и перемещения материала – распылительные, конвейерные, пневматические, размольно-сушильные. По схеме движения материала и сушильного агента – противоточные, прямоточные, с рециркуляцией и другие.

Для сушки мелкокусковых, сыпучих материалов и порошков применяются различные конструкции сушил непрерывного действия, например барабанные, пневматические и распылительные.

Барабанные сушила получили распространение в силикатной промышленности для сушки сыпучих и мелкокусковых материалов размером кусков до 50 мм. Барабан сушила имеет длину 4-30 м и диаметр 0.1-3.2 м, установлен под углом 4-60 к горизонту и вращается со скоростью 0.5-8 об/мин.

Движение материалов и топочных газов внутри сушила может быть прямоточным и противоточным. Последнее обуславливается рядом факторов. Если требуется глубокое высушивание материала или когда материал не выдерживает высокой температуры в первый период сушки и может быть нагрет до более высокой температуры в конце сушки, схема движения может быть противоточной. Противоток применяется при сушке песка, известняка и др. Однако в большинстве случаев находит применение прямоточная схема движения. Прямоток обеспечивает меньшее пыление и унос; влажные и пластичные материалы легче отдают начальную влагу и быстро приобретают необходимую сыпучесть. Сушка глин, недопускающих потери пластичности в следствие перегрева, производиться в сушильных барабанах при прямотоке. При этом допускается высокая начальная температура газов, входящих в барабан  (до  900 0С),  но материал при сушке сильно не нагревается. Обычно при температуре отходящих из барабана газов 110 – 120 0С материал выходит с температурой 70-800С. Скорость  движения газов в барабане не превышает 2,5-3 м/с в избежание чрезмерного пылеуноса. 

Внутренняя полость барабана в целях улучшения процессов теплообмена и сушки заполняется различными насадками или разделяется на ячейки. При сушке крупнокусковых материалов, склонных к налипанию внутри, на стенках барабана устанавливают продольные лопасти (подъемно-лопастная система). При сушке мелкокусковых материалов по всему сечению барабана устанавливают полки, обеспечивающие надежное перемешивание материала (распределительная система). Для очень мелкого материала, склонного к пылению, применят закрытую ячейковую систему внутренних устройств, в которой материал только переваливается при вращении барабана при небольшой высоте падения. Ячейки не сообщаются между собой.

Для повышения равномерности сушки материалов, производительности барабана и частичного совмещения сушки и размола применяют навеску цепей, которые заменяют некоторую часть внутренних перегородок по длине барабана. При вращении барабана цепи разбивают крупные куски глины, но при этом повышается вынос пыли газовым потоком. Степень заполнения барабана материалом колеблется в пределах от 0,05 до 0,20. Наибольшая степень заполнения достигается в сушильных барабанах с ячейковым внутренним устройством.

Для отопления барабанной сушилки можно использовать любой вид топлива, который сжигается в топке, расположенной со стороны входа дымовых газов в барабан. Продукты горения топлива смешиваются с холодным воздухом в смесительной камере для получения требуемой температуры. Отработанные газы удаляются из разгрузочной камеры при помощи вентилятора, предварительно пройдя циклон для очистки от пыли.

Основные преимущества барабанного сушила: возможности использования для сушки дымовых газов с достаточно высокой температурой (700-8000С) без перегрева материала, что обеспечивает хорошую экономичность сушки; можно сушить материалы, содержащие куски размером до 250 мм, и материалы, не обладающие сыпучими свойствами (флотоконцентраты, шламы и др.).

К недостаткам барабанного сушила можно отнести: довольно большие габариты, обусловленные объемом испаряемой влаги в 1 м3 их рабочего объема; значительную массу сушила (4-5 т на 1 т испаряемой влаги в 1 ч) и большую массу (до 25% рабочего объема) материала, постоянно находящегося в сушилке во время ее работы; налипание влажного материала на внутренние устройства сушильного барабана, что значительно снижает эффективность ее работы; возможное просыпание сырого материала через горячий конец барабана, что удается ликвидировать увеличением шага разгонной спирали и уменьшением подачи материала в сушилку.

Исходные данные  

 

Произвести теплотехнический расчет барабана для сушки глины производительностью 16 000 кг/ч по высушенной глине. Глина высушивается от начальной влажности w1 = 22% до конечной w2 = 5%. Сушка производится дымовыми газами, разбавленными атмосферным воздухом в смесительной камере перед входом их в барабан. Сжигаемое топливо – мазут М-60. Сжигание мазута  производится с помощью инжекционной горелки. Начальная температура глины tН = 15 0С, конечная – tК = 80 0С. Плотность сухой глины rС = 1450 кг/м3. Параметры теплоносителя:  ,  . Параметры воздуха до входа в топку: j0=70%, t0=200С, d0 = 10 г/кг сух воздуха. Размер кусков глины 40-50 мм. Угол наклона барабана a=40.

Режим работы сушилки непрерывный. Для сушки глины принимаем прямоточную схему движения теплоносителя, чтобы избежать снижения пластичности глины вследствие ее перегрева и уменьшить пылеунос. Система внутренних устройств – лопастная.

 

Теплотехнический  расчет

• Определение конструктивных размеров барабана
• Расчет горения топлива
• Расчет начальных параметров теплоносителя
• Построение теоретического и действительного процессов сушки на I - d диаграмме
• Материальный баланс сушильного барабана
• Тепловой расчёт сушильного барабана.
• Расчет времени сушки материала, частоты вращения и мощности привода сушильного барабана
• Подбор вспомогательных устройств к сушильному барабану

Определение конструктивных размеров барабана

Количество влажного материала, поступающего на сушку:

, (1.1)

где y2 – производительность барабана по сухой глине,  ;

W – количество испаренной влаги,  .

Количество испаренной влаги:

, (1.2)

Тогда 

Количество влаги, содержащейся во влажном материале до сушки:

 (1.3)

Количество влаги, содержащейся в высушенном материале:

 (1.4)

Основным показателем, по которому можно определить размеры сушильного барабана, является объемное напряжение барабана по влаге, т.е. количество влаги, испаренной с 1 м3 пространства барабана в 1 час. Принимаем объемное напряжение во влаге  , //

Тогда объем барабана составит:

 (1.5)

Размеры сушильного барабана обычно выбирают по каталогам заводов-изготовителей, т.е. стандартные, исходя из требуемого объема барабана.

Отношение длины барабана к его диаметру обычно составляет:  //.

Принимаем отношение длины барабана к его диаметру равным 5 и определяем его диаметр:

 (1.6)

Принимаем  .

Уточняем объем барабана:

Определяем площадь сечения и длину барабана:

Принимаем длину корпуса барабана 12,5 м. Тогда отношение:

, что вполне допустимо.

К установке принимаем барабанную сушилку завода изготовителя «Уралхимстрой» размером 2,8х14м, объемом 86 м3. //

Проверим производительность барабана по высушенной глине и m0:

, (1.7)

где 

Тогда 

(фактическая производительность по сухой глине)

Объемное напряжение по влаге составит:

Расчет горения  топлива

Мазут марки 60. Содержание золы АР = 0,2% , содержание влаги принимаем WР=3%. Коэффициент расхода воздуха при сжигании мазута с помощью форсунки низкого давления принимаем a=1,2. Воздух для горения поступает неподогретым.

Таблица 2.1

Состав горючей массы мазута, %

СГ	НГ	ОГ	NГ	SГ	Сумма
87,6	10,7	0,5	0,5	0,7	100

Определяем состав рабочего топлива, находим содержание элементов в рабочем топливе

 (2.1)

 (2.2)

 (2.3)

 (2.4)

 (2.5)

Таблица 2.2

Состав горючей массы мазута, %

СР	НР	ОР	NР	SР	АР	WР	Сумма
84,8	10,3	0,5	0,5	0,7	0,2	3	100

Теплоту сгорания мазута находим по формуле:

 (2.6)

Теоретически необходимое для горения количество сухого воздуха находим по формулам:

 (2.7)

Количество атмосферного воздуха при его влагосодержании d = 10 (г/кг сух воз) равно:

 (2.8)

Действительное количество воздуха при коэффициенте расхода a =1,2:

Сухого 

Атмосферного 

Количество и состав продуктов полного горения при a =1,2 находим по формулам:

 (2.9)

Расчет горения  топлива

 (2.10)

 (2.11)

 (2.12)

 (2.13)

Общее количество продуктов горения при a=1,2:

Процентный состав продуктов горения при a=1,2:

 

 

Сумма равна 100%

Составляем материальный баланс процесса горения на 100 кг топлива при a=1,2

Таблица 2.3

Материальный баланс процесса горения

ПРИХОД	КГ	РАСХОД	КГ
Топливо	100	Зола	0,2
Воздух		Продукты горения
	370,91		310,98
	1221,53		1,4
	15,99		111,68
			1221,98
			61,88
		Невязка	0,21
Итого	1708,33	Итого	1708,33

Невязка баланса составляет:

Определяем теоретическую температуру горения. Для этого находим общее теплосодержание продуктов горения (без подогрева воздуха и топлива):

Расчет  горения топлива

 (2.14)

По I-t диаграмме при a=1,2 находим теоретическую температуру горения

tТЕОР = 1815 0C

Определяем действительную температуру горения при коэффициенте hn=0,8.

Расчетное теплосодержание равно:

По I-t диаграмме находим действительную температуру горения мазута

tДЕЙСТ=1500 0C.

Расчет  начальных параметров теплоносителя

Температура газов при входе в сушильный барабан 

Для получения такой температуры дымовые газы, образующиеся при горении топлива, необходимо разбавить атмосферным воздухом в камере смешивания.

Составляем уравнение теплового баланса топки и камеры смешивания на 1кг сжигаемого топлива:

+  (3.1)

где Iв- энтальпия воздуха, поступающего для смешивания при температуре 200С:

Iв

Iдым- энтальпия дымовых газов при 

Iдым=1025  (2 прилож.10)

I’дым- энтальпия воздуха при температуре смешивания 7000С

I’дым=963  (2 прилож.10)

h- кпд топки /принимаем h=0,9/

c- количество воздуха, необходимое для разбавления дымовых газов.

Подставляя эти данные из расчёта горения топлива в уравнение, получим:

c =23,7 

Общее количество воздуха, необходимое для горения 1 кг топлива и разбавления дымовых газов до заданной температуры, составит:

L’’a=L’a+c= 12,55+23,7=36,25( )

Общий коэффициент избытка воздуха:

aобщ= 

Влагосодержание разбавленных дымовых газов определяем как отношение массы водяных паров к массе сухих продуктов горения:

 (3.2)

где  объёмы отдельных составляющих продуктов горения при aобщ=3,47.

Необходимо при новом значении aобщ=3,47 найти объём  ,который увеличивается за счёт дополнительного ввода водяных паров с атмосферным воздухом и  ,зависящих от коэффициента избытка воздуха. Объём не зависит от aобщ.

Тогда влагосодержание разбавленных газов находим, подставляя в формулу (3.2) значения 

Построение  теоретического и действительного  процессов сушки на I - d диаграмме

Построение процесса сушки производим на I –

dдиаграмме (Приложение 1)

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 сушильного материала. Теоретический процесс сушки протекает адиабатически, т.е. при условии  .

Параметры газов, идущих для смешивания с воздухом:

IОБЩ =2975кДж/м3

dГАЗ = 69,4 г/кг сух газа

Точка B характеризуется начальными параметрами сушильного агента:

и dН = 30,71 г/кг сух газа

Эта точка B характеризует начало теоретического процесса сушки сушильным агентом, т.е. смесью продуктов сгорания топлива с воздухом.

Соотношение между дымовыми газами и воздухом при смешивании их до заданных параметров определяется зависимостью: