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 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 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, 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 / g_t = 55, (55)

где D Р – гидравлическое сопротивление, мм. вод. ст; g_t – удельный вес газа, кг/м³.

Гидравлическое сопротивление батарейного циклона при данном соотношении равно

D Р = 55 g_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]; 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 p_n = 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 (N_c – 1) t _p, (62)

(N_c – 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 w_r – 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 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

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