Движению воздуха для калориферов КФ

Массовая скорость, кг/м2×с	Коэффициент теплопередачи К, ккал/ м2×ч×град, при теплоносителе
пар	Вода при скорости ее движения по трубам (м/с)
0,01	0,1	0,3
	17,9	9,0	15,1	19,3
	19,7	9,6	16,0	20,5
	20,8	10,1	16,9	20,2
	22,6	10,7	17,8	22,8

 

Тогда

м².

Число необходимых калориферов:

шт,

где F ₀ = 53,3 м² – площадь поверхности нагрева калорифера КФБ – 9 (табл. 6) [23, табл. 1 – 33а].

Таблица 6

Технические характеристики пластинчатых калориферов КФ (ГОСТ 7201-54)

Индекс и номер калорифера	Площадь поверхности нагрева для моделей, м2	Живое сечение для воздуха у всех моделей, м2	Живое сечение для теплоносителя у моделей, м2	Присоединительные размеры для всех моделей, мм
С	Б		С	Б	А2	Б3	А3	А2	Б1
КФ-1*	7,25	9,3	0,084	0,005	0,006
КФ-2	9,9	12,7	0,115	0,005	0,006
КФ-3	13,2	16,9	0,154	0,006	0,008
КФ-4*	16,7	21,4	0,195	0,006	0,008
КФ-5	20,9	26,8	0,244	0,007	0,01
КФ-6	25,3	32,4	0,295	0,007	0,01
КФ-7	30,4	38,9	0,354	0,009	0,012
КФ-8	35,7	45,7	0,416	0,009	0,012
КФ-9	41,6	53,3	0,486	0,011	0,014
КФ-10	47,8	61,2	0,558	0,011	0,014
КФ-11*	54,6	69,9	0,638	0,012	0,016
КФ-12*	61,6	79,0	0,72	0,012	0,016
КФ-13*	69,3	88,8	0,81	0,014	0,018
КФ-14*	77,3	99,0	0,903	0,014	0,018

 

Принимаем четыре калорифера и устанавливаем их в четыре ряда по одному по ходу движения воздуха (см. рис. 12).

Средняя температура воздуха в калорифере:

°С.

Объёмный расход воздуха:

м³/с,

где L = 1,298 кг/с – расход сухого воздуха на сушку в зимних условиях.

Рис. 12. Схема компоновки калориферов

 

Скорость воздуха в живом сечении калорифера:

м/с,

где n ’ = 1 – число калориферов в одном ряду; f = 0,486 м² – живое сечение калорифера для воздуха (табл. 6) [23, табл. 1 – 33а].

Массовая скорость воздуха:

w = u × r _в = 2,78×0,96 = 2,67 кг/(м²×с).

По табл. 6 [23, табл. 1 – 33а ] для массовой скорости воздуха w = 2,67 кг/(м²×с) определяем сопротивление одного ряда калориферов Dр ₀ = 3 мм. вод. ст.

Общее сопротивление калориферов:

Dр _кал = Dр ₀× n = 3×4 = 12 мм. вод. ст.

Расход греющего пара:

кг/с,

где r = 1860×10³ Дж/кг – удельная теплота конденсации пара [12]; h = 0,9 – коэффициент, учитывающий потери теплоты в калорифере.

Рис. 13. Значение коэффициента А

 

Определение коэффициента теплопередачи калорифера

 

Для проверки табличного значения коэффициента теплопередачи калорифера определим его величину расчётным методом.

Коэффициент теплопередачи определим по формуле [12]:

,Вт/(м²×К), (23)

где a _пр – приведённый коэффициент теплоотдачи от поверхности калорифера воздуху, Вт/(м²×К); a ₂ – коэффициент теплоотдачи для потока, проходящего внутри трубы (пара), Вт/(м²×К); F _н – площадь полной наружной поверхности оребрённой трубы на единицу длины, включая поверхность рёбер, м²; F _в – площадь внутренней поверхности трубы на единицу длины, м²; Sr _ст – сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений, (м²×К)/Вт.

Определим коэффициент теплоотдачи a₂ при плёночной конденсации пара внутри горизонтальных труб калорифера [12]:

, Вт/(м²×К),

где А = 4,5 – коэффициент, объединяющий физико-химические константы воды и пара при температуре конденсации Т _н = 220 °С (рис. 13) [12, рис. 4.8]; q – удельная тепловая нагрузка, Вт/м²; L = 1,01 м – длина трубы [23]; d _вн = 0,02 м – внутренний диаметр трубы [25].

В калорифере КФБ-9 находится пятьдесят шесть трубок длиной 1,01 м каждая [25].

Общая длина всех трубок:

L = n × l _тр = 56×0,01 = 56,56 м.

Площадь внутренней поверхности трубок:

F _вн = p× d _вн× L = 3,14×0,02×56,56 = 3,6 м².

Тепловая нагрузка, приходящая на один калорифер:

Вт.

Удельная тепловая нагрузка калорифера:

Вт/м².

Тогда коэффициент теплоотдачи a₂ равен:

a ₂ = 1,36×4,5×18772,2^0,5×1,01^0,35×0,02^-0,25 = 2236,7 Вт/(м²×К).

Коэффициент теплоотдачи от поверхности калорифера к воздуху a _пр определим из критерия Нуссельта:

a _пр= ,

где l _тр = 1,01 м – длина трубки; l _в = 0,0321 Вт/(м×К) – коэффициент теплопроводности воздуха при средней температуре в калорифере t _ср = 95 °С [12].

Критерий Нуссельта определим по зависимости [26]:

,

где с = 0,25 – постоянная для коридорного расположения труб; l _ст = 46,5 Вт/(м×К) – коэффициент теплопроводности материала труб калорифера (сталь конструкционная); D = 0,18 м – наружный размер ребра трубы (оребрённой) [23]; d = 0,023 м – наружный диаметр трубы [25]; S = 0,5×10^{-3 м – толщина ребра [25].}

Определяющей температурой является температура пограничного слоя (средняя):

t _ср = 0,5×(t _ст2 + t _в) °С,

где t _ст2 – температура наружной поверхности трубы, °С; t _в = 95 °С – средняя температура воздуха.

Допустим, что процесс теплопередачи в калорифере стационарный, тогда удельный тепловой поток через стенку трубки:

, Вт/м²,

где t _ст1 = 220 °С – температура внутренней поверхности трубы; d_ст = 1,5×10^{-3 м – толщина трубы;} l _ст = 45,6 Вт/(м×К) – коэффициент теплопроводности материала трубы.

Тогда:

°C.

Средняя температура пограничного слоя:

t _ср = 0,5×(219,4 + 95) = 157,2 °C.

Плотность воздуха при t _ср = 157,2 °C:

кг/м³.

Критерий Рейнольдса:

,

где u = 2,78 м/с – скорость воздуха в калорифере; m = 0,024×10^-3 Па×с – динамическая вязкость воздуха при t _ср = 157,2 °C.

Тогда с учётом всех значений критерий Нуссельта равен:

Коэффициент теплоотдачи a ₁:

Вт/(м²×К).

Определим площадь полной наружной поверхности оребрённой трубы на один метр.

Количество пластин на одном метре трубы:

,

где а = 5 мм – расстояние между пластинами; S = 0,5 мм – толщина пластины.

Площадь поверхности пластин:

м²,

где h = 0,18 м и h ’ = 0,1 м – размеры рёбер пластин; d = 0,023 м – наружный диаметр трубки, м; 4 – количество трубок в одном ходу, шт; S = 0,5×10^{-3 м – толщина пластины.}

Тогда:

Площадь поверхности неоребрённой части трубы:

F _н” = p× d ×(1 – 183×0,0005) = 3,14×0,023×0,91 = 0,066 м².

Площадь полной наружной поверхности оребрённой трубы на один метр:

F _н = F _н’ + F _н” = 5,42 + 0,066» 5,5 м².

Площадь внутренней поверхности трубы на один метр:

F _в = p× d _в = 3,14×0,02 = 0,063 м².

Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений:

, (м²×К)/Вт.

где d _ст = 0,0015 м – толщина стенки трубы; l _ст = 46,5 Вт/(м×К) – коэффициент теплопроводности материала трубы; r _загр1 = 0,00053 (м²×К)/Вт – тепловое сопротивление загрязнений со стороны пара; r _загр2 = 0,00035 (м²×К)/Вт – тепловое сопротивление загрязнений со стороны воздуха [1].

Тогда:

(м²×К)/Вт.

Коэффициент теплопередачи в калорифере по формуле (23):

Вт/(м²×К).

отклонение полученного результата от полученного табличного значения:

.

 

Расчёт и подбор вспомогательного оборудования распылительной сушилки

 

К вспомогательному оборудованию сушильной установки относят пылеотделительные устройства и вентиляторы для перекачки сушильного агента (воздуха) на различных стадиях процесса.

Расчёт и подбор пылеотделительных устройств

 

Выбор рациональных устройств пылеотделения зависит от большого количества факторов и должен производится для каждого случая отдельно [7]. В зависимости от режима сушки, принятой схемы вывода порошка из сушильной камеры, дисперсности частиц, стоимости получаемого продукта, физических свойств раствора и порошка и т. д. выбираются соответствующие пылеотделительные устройства.

При сушке распылением обычно применяется двухступенчатая очистка газов от пыли, не считая осаждения пыли в сушильной камере.

В тех случаях, когда мокрое улавливание и предварительный нагрев высушиваемого материала не влияют на качество получаемого продукта, рационально устанавливать в качестве второй ступени очистки газов мокрые скрубберы. Это позволяет повысить экономичность установки и добиться высокой степени очистки газов от пыли. Наиболее рационально, если возможно, для улавливания пыли в скруббере применять высушиваемый раствор.

В качестве первой ступени очистки обычно применяются центробежные циклоны. Схема улавливания пыли с применением циклонов и мокрого скруббера является наиболее надёжной в отношении изменения температурных режимов сушки.

При сушке нагретым воздухом часто применяются для очистки газов рукавные матерчатые фильтры. С целью уменьшения нагрузки фильтра и получения более надёжной работы перед фильтром устанавливают циклоны.

В настоящем проекте выбираем первую схему очистки с применением центробежных циклонов и мокрого скруббера.

 

Расчёт центробежного циклона

 

Выберем циклон конструкции НИИОГАЗа.

Расчёт циклона будем вести по методике, изложенной в [26] по максимальному расходу воздуха для летних условий V = 1,15 м³/с.

Циклоны НИИОГАЗа [26] отличаются относительно небольшим гидравлическим сопротивлением, хорошо очищают газы, концентрация пыли в которых может достигать нескольких сот граммов на 1 м³. Циклоны конструкции НИИОГАЗа выпускают диаметром от 40 до 800 мм. Их часто устанавливают параллельными группами по два, три аппарата и более.

Предварительно зададимся диаметром циклона D = 400 мм.

Исходя из конструктивных соображений, устанавливаем четыре циклона [7], тогда производительность по газу одного циклона:

м³/с.

Определим максимальный размер частиц, уносимых из сушильной камеры.

 

Рис. 14. Зависимость критерия Ly от критерия Ar для осаждения одиночной частицы в неподвижной среде: 1 - шарообразные,

2 – округленные, 3 – угловатые, 4 – продолговатые (игольчатые), 5 – пластинчатые частицы

 

Скорость воздуха в сушильной камере при максимальном расходе воздуха (при летних условиях) u = 0,163 м/с. Этой скорости соответствует критерий Лященко [18]:

,

где r _с = 0,986 кг/м³ – плотность воздуха при средней температуре воздуха в циклоне t _ср = 85 °С; r _м = 570 кг/м³ – плотность частиц обезжиренного сухого молока [16]; m _с = 21,3×10^-6 Па×с – динамическая вязкость воздуха при t _ср = 85 °С.

По рис. 14 [18, рисунок 2.2] найденному значению критерия Лященко соответствует число Архимеда Ar = 10,8.

Тогда:

м.

Значит, частицы диаметром d = 109×10^{-6 м и менее будут уноситься из сушильной камеры и попадать в циклон. По данным (табл. 5) [26, табл. 1] частицы такого диаметра могут улавливаться в циклонах.}

Таблица 5

Аппарат	Размеры улавливаемых частиц, мкм	Степень очистки, %
Пылеосадительные камеры Центробежные пылеосадители Электрофильтры Гидравлические пылеуловители Газовые фильтры	5 - 20000 3 – 100 0,005 - 10 0,01 - 10 2 - 10	40 - 70 45 - 85 85 - 99 85 - 99 85 - 99

 

Скорость осаждения этих частиц в циклоне рассчитаем по формуле:

м/с,

где d = 109×10^{-6 м – максимальный диаметр частиц, осаждающихся в циклоне;} r _м = 570 кг/м³ – плотность частиц обезжиренного молока; r _с = 0,986 кг/м³ – плотность воздуха в циклоне; n _с = 21,95×10^-6 м²/с – кинематическая вязкость воздуха в циклоне; D = 0,4 м – диаметр циклона (приняли предварительно); w₂ – окружная скорость газа в циклоне, принимаем w ₂ = 13 м/с [26].

Значения r _с и n _с определены при средней температуре воздуха в циклоне. Принимаем температуру воздуха на выходе из циклона на 10 °С ниже начальной температуры.

Рис. 7. Схема к расчёту циклона

 

Проверим правильность применения формулы для расчёта скорости осаждения частиц в циклоне:

.

Т. к. найденное значение числа Рейнольдса Re = 84.54 > 0,2, то теоретическую скорость осаждения необходимо определить по другой методике:

- рассчитаем фактор разделения:

;

- находим значение критерия Архимеда:

Т. к. критерий Архимеда Ar < 84000, то величину критерия Рейнольдса рассчитываем по формуле:

Тогда:

,

а теоретическая скорость осаждения частиц в циклоне:

м/с.

Действительную скорость осаждения частиц в циклоне:

м/с.

Исходя из заданной производительности циклона, находим внутренний диаметр выхлопной трубы по уравнению:

м,

где w _м = 6,5 м/с – скорость газа в выхлопной трубе [26].

Принимаем d _м = 0,24 м.

Наружный диаметр выхлопной трубы:

где d = 0,005 м – толщина стенки выхлопной трубы.

Правильность выбранного значения диаметра циклона проверим по формуле:

м.

Т. к. был принят диаметр циклона D = 0,4 м, то значение окружной скорости газа в циклоне может быть уменьшено, что обеспечивает резерв работы циклона в случае изменения нагрузки по газу.

Итак, принимаем диаметр циклона D = 0,4 м, диаметр выхлопной трубы D ₁ = 0,25 м.

Высота цилиндрической части центробежного пылеосадителя

м.

Принимаем h ₁ = 900 мм.

Высота конической части принимается равной

.

Принимаем размеры входного патрубка b = 100 мм, h = 260 мм.

Тогда площадь сечения патрубка

F = b × h = 0,1×0,26 = 0.026 м².

Скорость воздуха во входном патрубке циклона:

.

Найденное значение скорости находится в пределах рекомендуемых [26] .

Гидравлическое сопротивление циклона (Па) рассчитаем по формуле:

Па,

где x _y - коэффициент сопротивления, зависящий от конструкции циклона (для циклонов конструкции ЦККБ x _y = 2,5, для циклонов ВТИ x _y = 6, для циклонов НИИОГАЗа x _y = 7) [26]. В нашем случае примем x _y =7.

Сопротивление 4-х циклонов:

Па.

 

Расчёт скруббера

 

Скруббер представляет собой вертикальный цилиндр с конусным днищем (рис. 8). Ввод запылённых газов производится радиально через окна, которые расположены по окружности внизу цилиндрической части скруббера. Газы, выйдя из распределительных окон, поднимаются вверх, проходят через распылённую жидкость, очищаются и выкидываются в атмосферу.

Жидкость распыливается с помощью механических форсунок грубого распыла. Форсунки расположены под определённым углом к горизонтальной плоскости, по окружности на некотором расстоянии от верха скруббера. Такое расположение форсунок позволяет получить равномерное распределение плотности потока распылённой жидкости по сечению скруббера. Для предупреждения попадания жидкости в распределительный канал для газа над окнами делается по всей окружности козырёк. В конусной части скруббера делается сливной штуцер, чтобы предупредить попадание жидкости в газоход.

 

Рисунок 8 – Схема скруббера

 

Расчёт скруббера выполним по методике, изложенной в [7].

Предварительно принимаем, что на очистку поступает количество воздуха, необходимое для сушки в летних условиях V = 1,15 м³/с с температурой t ₁ = 80 °С (Значение принято на 10 °С ниже температуры воздуха на выходе из сушильной камеры в предположении, что на пути от сушильной камеры, проходя воздуховоды и циклон, он охладится именно на 10 °С). Температуру воздуха на выходе из скруббера примем равной t ₂ = 30 °С (при контакте воздуха с распылённым раствором воздух охлаждается, а раствор нагревается). Плотность орошения скруббера примем равной А = 3 т/(м²×ч) = 3000 кг/(м²×ч).

Тогда количество теплоты, отданное воздухом в скруббере:

Q = V × r × c ×(t ₁ – t ₂) = 1,15×1,03×1005×(80 – 30) = 59521,1 Вт,

где r = 1,03 кг/м³ – плотность воздуха при средней его температуре в скруббере: °С; с = 1005 Дж/(кг×К) – средняя удельная теплоёмкость воздуха при его средней температуре.

Средняя разность температур между газом и распыляемым раствором:

°С,

где t _м = 28 °С – температура мокрого термометра газов на выходе из скруббера (t = 30 °С, j = 90 %).

Объёмный коэффициент теплообмена a _u определим по эмпирической формуле Н. М. Михайлова [7]:

a _u = 95× A ^0,82×1,16 = 95×3^0,82×1,16 = 271,3 Вт/(м³×ч).

Объём скруббера определим по формуле [7]:

м³.

Диаметр скруббера определим из уравнения расхода:

м,

где u _ск = 0,8 м/с – скорость воздуха в скруббере. (По данным [7] при u _ск < 1,0 м/с унос жидкости минимален и не превышает 0,8 %).

Количество распыливаемого раствора:

.

Поскольку это количество раствора значительно превышает производительность сушилки, то необходимо организовать циркуляцию раствора в скруббере с отбором его части, концентрированной до 60 % на сушилку [7].

Рабочая высота скруббера определяется по объёму и диаметру скруббера:

м.

Под рабочей высотой скруббера понимается расстояние между местом ввода газа и форсунками.

По данным [7, c. 140] сопротивление скруббера обычно не превышает 10 – 15 мм. вод. ст. Принимаем Dр _ск = 10 мм. вод. ст.

 

Подбор вентилятора

 

Вентилятор подбирают по производительности и создаваемому напору.

Производительность вентилятора выбираем по летним условиям, т. к. при этом объём воздуха, перекачиваемый вентилятором, максимален и равен V = 1,15 м³/с.

Требуемый напор вентилятора определяем как сумму потерь напора (сопротивлений) во всех аппаратах воздушного тракта (калориферы, сушильная камера, циклоны, скруббер) и воздуховодах, соединяющих вентилятор и аппараты.

 

Сопротивление калориферов

 

Суммарное сопротивление калорифера определено в разделе 3 и равно Dр = 12 мм. вод. ст.

 

Сопротивление сушильной камеры

 

Различают два вида потерь напора (сопротивлений) [19]: потери по длине (путевые):

;

и в местных сопротивлениях:

.

Местные сопротивления имеют место (см. рис. 9) при входе воздуха в камеру (внезапное расширение) и при выходе из неё (внезапное сужение).

Рис. 9. К расчёту сопротивления камеры

 

Путевые потери имеют место при движении воздуха в камере от входного отверстия к выходному. При этом путь, проходимый воздухом равен высоте камеры l = H = 5 м. Диаметр D = 3,6 м. Скорость движения воздуха в камере u = 0,311 м/с.

Режим движения воздуха в камере:

,

следовательно, режим движения турбулентный.

Принимая камеру (как канал) гидравлически гладкой, рассчитаем гидравлический коэффициент трения l по формуле Блазиуса:

,

тогда:

м. возд. ст.

Размеры всех газоходов (воздуховодов), применяемых в сушильной установке для соединения всех аппаратов примем одинаковыми и равными рассчитанным ранее – газоход квадратного сечения из оцинкованного стального листа с длиной сторон а = 0,28 м.

Площадь сечения газохода:

S ₁= a ² = 0.28² = 0,0784 м².

Площадь сечения сушильной камеры:

м².

Коэффициенты местных сопротивлений (рис. 9):

а) при входе потока воздуха через воздуховод в сушильную камеру (внезапное расширение):

,

б) при выходе потока воздуха из сушильной камеры в воздуховод (внезапное сужение):

.

Потери напора при входе в камеру:

м.

Потери напора при выходе из камеры:

м. возд. ст,

где u _г = 15 м/с – скорость газа в газоходе (за местным сопротивлением).

Сумма потерь напора в местных сопротивлениях:

h _мс = h ^’_мс + h ^”_мс = 0,64×10^-3 + 5,68 = 5,681 м. возд. ст,

Общее сопротивление сушильной камеры:

h _S = Dp _суш = h _l + h _мс = 2,61×10^-5 + 5,681 = 5681 мм. возд. ст. =5,68 мм. вод. ст.

 

Сопротивление циклонов

 

Общее сопротивление 4-х циклонов определено ранее и равно Dр _ц = 1457,6 Па = 150 мм. вод. ст.

 

Сопротивление скруббера

 

Сопротивление скруббера установлено ранее и составляет Dр _ск = 10 мм. вод. ст.

 

Сопротивление воздуховодов

 

Воздуховоды служат для соединения всех аппаратов установки в единый тракт. Размеры газохода рассчитаны в разделе 2: газоход квадратного сечения с длинной сторон а = 0,28 м; длина газохода от калорифера до сушилки l = 2 м.

Примем размеры (сечение) газохода на всех участках одинаковыми. Длины на различных участках примем:

- от вентилятора до калорифера – 2 м (t = 20,6 °С);

- от калорифера до сушилки – 2 м (t = 200 °С);

- от сушилки до циклонов – 3 м (t = 90 °С);

- от циклонов до скруббера – 12 м (t = 80 °С).

Так как температуры сушильного агента на перечисленных участках газохода различны, то расчёт сопротивлений будем вести отдельно на каждом участке.

Режимы движения воздуха на каждом из участков:

- от вентилятора до калорифера:

– турбулентный;

- от калорифера до сушилки:

– турбулентный;

- от сушилки до циклонов:

– турбулентный;

- от циклонов до скруббера:

=199146,5 – турбулентный.

Т. к. на большинстве участков газохода числа Рейнольдса Re > 10⁵, то для расчёта гидравлического коэффициента трения l воспользуемся универсальной формулой:

где k _э = 0,15×10^{-3 м – эквивалентная шероховатость оцинкованной железной поверхности газоходов (табл. 6) [19];} d _экв = а = 0,28 м – эквивалентный диаметр газохода.

Таблица 6