Сушка представляет собой процесс удаления влаги из твердых влажных материалов путем её испарения и отвода образующихся паров. Сушка является наиболее распространенным способом удаления влаги из твердых материалов и проводится двумя способами:

первый способ проводится путем непосредственного соприкосновения сушильного агента с высушиваемым материалом – конвективная сушка.

второй путем нагревания высушиваемого материала тем или иным теплоносителем через стенку, проводящую тепло – контактная сушка.

Сушка производится также путем нагревания высушиваемых материалов токами высокой частоты или инфракрасными лучами.

В особых случаях применяется сушка некоторых продуктов в замороженном состоянии при глубоком вакууме – сушка возгонкой.

По своей физической сущности сушка является сложным диффузионным процессом, скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду.

Процесс сушки широко используется в химической технологии. Он часто является последней операцией на производстве, предшествующей выпуску готового продукта. При этом предварительное удаление влаги обычно осуществляется более дешевым механическим способом (например, фильтрованием), а окончательный – сушкой.

Аэрофонтанные сушилки используют для сушки измельченной древесины (опила, щепы) в комбинации с трубой-сушилкой и барабанной сушилкой. Основной частью аэрофонтанной сушилки является диффузор – полый сосуд в форме усеченного конуса, обращенный широкой частью вверх. Следствием конусности является интенсивная циркуляция материала, он поднимается, фонтанирует в центральной части конуса и опускается в ее периферийной части. Высушенные частицы, когда их скорость витания

становится меньше скорости газа в верхней части конуса, уносятся потоком газа пневмотранспортом в циклон для улавливания.

Исследования показали, что в циклонах эффективно продолжается сушка. Продолжительность сушки в аэрофонтанной сушилке значительно больше, чем в трубе-сушилке, и ее трудно регулировать. Кроме того, сушка протекает несколько неравномерно и возможен перегрев материала [9].

1 Принципиальная схема, ее обоснование и описание

Сушка является довольно дорогой операцией, потому что на испарение 1 кг влаги необходимо подвести 2100-2500 кДж тепла. Для сушки измельченной древесины используют сушильные установки непрерывного действия, в которых процесс сушки совмещается с перемещением материала.

Влажный материал из бункера-питателя БП шлюзовым дозатором ДШ подается в сушилку С. Сушильный агент – топочные газы, разбавленные воздухом, поступают в сушилку из топки Т. Продукт вместе с сушильным агентом отсасывается вентилятором-дымосом ВД в циклон-разгрузитель ЦР, где продукт частично отделяется от сушильного агента, доочистка отработанного теплоносителя осуществляется в циклоне-очистителе ЦО. Отработанный сушильный агент отсасывается вентилятором-дымососом ВД и выбрасывается в атмосферу через дымовую трубу ДТ. Вся схема работает под разряжением, для того чтобы избежать свищей теплоносителя. Продукт через шлюзовой затвор ЗШ подается в транспортер ТВ на следующую технологическую стадию.

Рисунок 1 – Схема сушильной установки: ТЛ – транспортер ленточный;

Т – топка; КС – камера смешения; С – сушилка; БП – бункер-питатель;

ДШ – дозатор шлюзовой; ЦР – циклон-разгрузитель; ЦО – циклон-очиститель; ЗШ – затвор шлюзовой; В – вентилятор; ВД – вентилятор-дымосос; ДТ – дымовая труба; ТВ – транспортер винтовой; З – задвижка;

Д – диафрагма

2 РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ АППАРАТОВ СУШИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

2.1 Расчет топки для сушильной установки

Исходные данные:

Состав природного газа (Ямбургское месторождение) [1, таблица 45], масс. %:

93,2 CH₄ ; 4,4 C₂ H₆ ; 0,8 C₃ H₈ ; 0,6 C₄ H₁₀ ; 0,3 C₅ H₁₂ ; 0,1 CO₂ ; 0,8 N₂ .

Параметры наружного воздуха (Урал, Екатеринбург, пригород):

Температура t₀ =5°С

Относительная влажность φ₀ =70%

Барометрическое давление Р=750 мм.рт.ст.=0,100 МПа

Влагосодержание наружного воздуха при t₀ =5 °С; φ₀ =70 %:

х₀ =0,622∙φ₀ ∙Р_нас /(Р-φ₀ ∙Р_нас )=0,622·0,7·6,54/(750-0,7·6,54)=0,004 кг/кг,

где Р_нас =6,54 мм.рт.ст. при t₀ =5°С [1, таблица 32] при Р=750 мм.рт.ст.

Теплосодержание наружного воздуха при t₀ =5 °С; x₀ =0,004 кг/кг:

J₀ =1,01∙t₀ +(2493+1,97∙t₀ )∙x₀ =1,01·5+(2493+1,97·5)·0,004=15,061 кДж/кг.

Теплотворная способность сухого газообразного топлива:

500,3∙CH₄ +475,22∙С₂ Н₆ +463,29∙С₃ Н₈ +458,48∙С₄ Н₁₀ +453,45∙С₅ Н₁₂ +

+453,32∙С₂ Н₂ +465,43∙С₂ Н₄ +101,10∙СО+1203,76∙H₂ +153∙H₂ S=500,3·93,2+

+475,22·4,4+463,29·0,8+458,48·0,6+453,45·0,3=49500,683 кДж/кг.

+2500∙∑(0,09∙n)/(12∙m+n)+25∙W_р =49500,683+2500[(0,09·4)/(12·1+4)+ +(0,09·6)/(12·2+6)+(0,09·8)/(12·3+8)+(0,09·10)/(12·4+10)+(0,09·5)/(12·5+12)]+

+25·0=49719,135 кДж/кг.

Теоретическое количество абсолютно сухого воздуха, необходимого для сжигания 1 кг природного газа:

L_о = 0,02435∙СО+0,348∙Н₂ +0,0614∙Н₂ S+1,39∙∑[(m+n/4)/(12∙m+n)]∙C_m H_n -

-1,39∙O₂ =1,39∙{[(1+4/4)/(12·1+4)]·93,2+[(1+6/4)/(12·2+6)]·4,4+[(3+8/4)/(12·3+

+8)]·0,8+[(1+10/4)/(12·4+10)]·0,6+[(1+12/4)/(12·5+12)]·0,3}=16,969

кг воздуха/кг газа.

Масса сухого воздуха, подаваемого в топку для сжигания 1 кг природного газа:

L_m =α_m ∙L_о =1,2·16,969=20,363 кг воздуха/кг газа,

где α_m =1,05-1,2 при сжигании газов.

Масса сухого газа, получаемого при сжигании 1 кг природного газа:

=1+L_m -∑[(0,09∙n)/(12∙m+n)]∙C_m H_n -0,01∙W_р =1+20,363-[(0,09·4)·93,2/(12·1+

+4)+(0,09·6)·4,4/(12·2+6)+(0,09·8)·0,8/(12·3+8)+(0,09·10)·0,6/(12·4+10)+

+(0,09·5)·0,3/(12·5+12)] =19,16 кг/кг при W_р =0.

Масса водяного пара, получаемого при сжигании 1 кг природного газа с избытком воздуха:

d′=∑[(0,09∙n)/(12∙m+n)]∙C_m H_n +L_m ∙х_о +0,01∙W_р =[(0,09·4)·93,2/(12·1+4)+ +(0,09·6)·4,4/(12·2+6)+(0,09·8)·0,8/(12·3+8)+(0,09·10)·0,6/(12·4+10)+

+(0,09·5)·0,3/(12·5+12)]+20,363·0,004+0,01·0=2,285 кг/кг.

Влагосодержание топочных газов:

х_тг =x′=d′/ = 2,285/19,16 = 0,119 кг/кг.

Количество компонентов топочных газов, полученных при сжигании 1 кг природного газа:

lco₂ =0,01∙CO₂ +0,0157∙CO+∑[0,04/(12∙m+n)]∙C_m H_n =0,01·0,1+0,0157·0+ +[0,04/(12·1+4)]·93,2+[0,04/(12·2+6)]·4,4+[0,04/(12·3+8)]·0,8+[0,04/(12·4+

+10)]·0,6+[0,04/(12·5+12)]·0,3=2,643 кг/кг;

lso₂ =0,0188∙H₂ S=0,0188·0=0,00 кг/кг;

lN₂ =0,768∙L_m +0,01∙N₂ = 0,768·20,363+0,01·0,8=15,647 кг/кг.

lo₂ = 0,232∙(α_m -1)∙L_о = 0,232·(1,2-1)·16,969= 0,787 кг/кг.

Средняя молекулярная масса сухих топочных газов:

М_сг =/[(lco₂ /44)+(lso₂ /64)+(lN₂ /28)+(lo₂ /32)]=19,16/[(2,643/44)+(0/64)+ +(15,647/28)+(0,787/32)]=29,775 кг/кмоль.

Средняя теплоемкость сухих топочных газов при t_тг =1000 ºC (в топке поддерживается эта температура):

С_сг =(Ссо₂ ∙lco₂ +Сsо₂ ∙lso₂ +СN₂ ∙lN₂ +Со₂ ∙lo₂ )/(lco₂ +lso₂ +lN₂ +lo₂ )=

=(1,12·2,643+0,873·0+1,11·15,647+1,03·0,787)/(2,643+0+15,647+0,787)=

=1,108 кДж/(кг·К),

где теплоемкость при t_тг =1000 ºC [см.4, приложение, таблица 2]: Ссо₂ =1,12; Сsо₂ =0,873; СN₂ =1,11; Со₂ =1,03 кДж/(кг·К).

Средняя теплоемкость природного газа при t=5 ºC:

C_т =Ссн₄ ∙Yсн₄ +Сс₂ н₆ ∙Yc₂ н₆ +…+Сс_m н_n ∙Yc_m н_n =2,1855·0,932+1,651·0,044+

+1,305·0,008+1,601·0,006+1,59·0,003=2,134 кДж/(кг·К),

где Ссн₄ =2,1855 кДж/(кг·К); Сс₂ н₆ =1,651 кДж/(кг·К); Сс₃ н₈ =1,305 кДж/(кг·К); Сс₄ н₁₀ =1,601 кДж/(кг·К); Сс₅ н₁₂ =1,59 кДж/(кг·К) при t=5 ºC [см.4, приложение, таблица 2].

Средняя температура топочных газов на выходе из топки без учета диссоциации углекислого газа и паров воды:

t_тг =(∙ŋ_т +C_т ∙t+L_m ∙J_о +w_g ∙i_g -2500∙∙х′)/[∙(С_сг +1,97∙х′)]=(49719,135·0,95+

+2,134·5+20,363·15,061+0-2500·19,16·0,119)/[19,16·(1,108+1,97·0,119)]=

=1627,095 °C,

где w_g = 0, так как газ не распыляют ни воздухом, ни паром.

Температуру топочных газов снижают до t_тг =1000 °C за счет подачи наружного воздуха в топку с целью предотвратить разрушение футеровки топки.

Теплосодержание топочных газов:

J_тг =1,01∙t_тг +(2493+1,97∙t_тг )∙x_тг =1,01·1000+(2493+1,97·1000)∙0,119=

=1541,097 кДж/кг.

Теплосодержание пара в составе топочных газов при t₁ =350 °C:

i_n =r₀ +1,97∙t₁ =2493+1,97∙t₁ =2493+1,97·350=3182,5 кДж/кг.

Коэффициент избытка воздуха при разбавлении топочных газов воздухом до температуры t₁ =350 °C:

Количество воздуха, подаваемого в камеру смешения на 1 кг природного газа для разбавления до t₁ =350 °C:

L_см =L_о ∙(α₂ -α_m ) = 16,969·(6,222-1,2) = 85,218 кг воздуха/кг газа.

Количество сухой смеси топочных газов с воздухом на 1 кг природного газа:

+L_cм = 19,16+85,218 = 104,378 кг/кг.

Количество паров воды в смеси топочных газов с воздухом, полученных при сжигании 1 кг природного газа:

d′′=d′+L_см ∙x_о =2,285+85,218·0,004=2,626 кг пара/кг газа.

Влагосодержание смеси топочных газов с воздухом на выходе из смесителя:

x₁ =x″=d″/=2,626/104,378=0,025 кг/кг.

Расход природного газа на сушку измельченной древесины из можжевельника в аэрофонтанной сушилке:

В = L₁ /=21,179/104,378=0,203 кг/с=730,8 кг/ч,

где L₁ =21,179 кг/с [см. расчет аэрофонтанной сушилки].

Объем топочной камеры:

V_гор =∙В/q_v =49500,683·730,8/1260·10³ =28,710 м³ .

где q_v – допустимое тепловое напряжение топочного объема; q_v =1260·10³ кДж/(м³ ·ч) [см.4, приложение, таблица 3].

Принимаем соотношение длины к диаметру топки L/D=1,8, тогда

Диаметр топки: D=(V_гор /0,785·1,8)^1/3 =(28,710/0,785·1,8)^1/3 =2,729 м.

Принимаем D=2,8 м.

Длина топки: L=1,8∙D=1,8·2,8=5,04 м.

Размеры топки: V_гор =28,71 м³ ; D=2,8 м; L=5,04 м.

2.2 Расчет аэрофонтанной сушилки

Исходные данные:

Параметры материала

Материал измельченная древесина из

можжевельника

Размер частиц 30×5×5 мм

Производительность по влажному материалу =13 т/ч=3,611 кг/с

Абсолютная влажность:

начальная w_а1 =40 %

конечная w_а2 =20 %

Начальная температура материала q₁ =5 °С

Параметры сушильного агента

Сушильный агент – это топочные газы, разбавленные воздухом.

Топливо – природный газ (Ямбургское месторождение)

Вход в сушилку

Температура t₁ =350 °С

Влагосодержание x₁ =0,025 кг/кг

(см. расчет горения газа)

Плотность [1, таблица 57] r_t ₁ =0,544 кг/м³

Выход из сушилки

Температура t₂ =90 °С

Относительная влажность w_о2 =85 %

Параметры наружного воздуха

Температура t₀ =5 °С

Влагосодержание x₀ =0,004 кг/кг

(см. расчет горения газа)

Теплосодержание J₀ =15,061 кДж/кг

Относительная влажность φ₀ =70%

2.2.1 Технологический расчет

Теплофизические свойства и характеристика частиц измельченной древесины из можжевельника

Объем частиц:

V_ч =δ∙b∙l=30·5·5·(10^-3 )³ =7,5·10^-7 м³ .

Поверхность частицы:

F_ч =2∙(δ∙b+δ∙l+b∙l)=2·(30·5+30·5+5·5)·10^-6 =6,5·10^-4 м² .

Фактор формы:

Ф=0,5.

Эквивалентный диаметр частицы:

d_э =(6∙V_ч /π)^0,33 =[6·7,5·10^-7 /3,14]^0,33 =0,012 м.

Относительная влажность материала:

на входе в сушилку: w_о1 =100∙w_а1 /(100-w_а1 )=100·40/(100-40)=66,7 %;

на выходе из сушилки: w_о2 =100∙w_а2 /(100-w_а2 )=100·20/(100-20)=25 %;

среднее значение: w_{о ср} =0,5∙(w_о1 +w_о2 )=0,5·(66,7+25)=45,85 %.

Материальный баланс

Производительность по высушенному материалу:

=∙(100-w_о1 )/(100-w_о2 )=3,611·(100–66,7)/(100–25)=1,603 кг/c.

Количество испаряемой воды:

W==3,611-1,603=2,008 кг/с.

Количество абсолютно сухого материала:

∙(100-w_о1 )/100=3,611·(100-66,7)/100=1,202 кг/с.

Построение рабочей линии процесса сушки на J-х диаграмме

Параметры наружного воздуха

Точка А на J-х диаграмме: t₀ =5 °C; x₀ =0,004 кг/кг; J₀ =15,061 кДж/кг.

Параметры топочных газов

Точка К на J-х диаграмме: x_тг =x′=0,119 кг/кг (см. расчет горения природного газа); t_тг =1000 °C.

Параметры сушильного агента

Вход в сушилку

Точка В на J-х диаграмме: x₁ =x″=0,025 кг/кг; t₁ =350 °C.

Выход из сушилки

Точка С на J-х диаграмме: t₂ =90 °C.

Последовательность построения рабочей линии процесса сушки на J-x диаграмме

1) На J-x диаграмме находим точку А по x₀ =0,004 кг/кг и t₀ =5 °C; точку К по x_тг =0,119 кг/кг и по t_тг =1000 °C; проводим рабочую линию горения газа .

2) Находим точку В на пересечении линии и линии температур t₁ =350 °C, определяем x₁ =0,025 кг/кг.

Теплосодержание сушильного агента на входе в сушилку:

J₁ =1,01∙t₁ +(2493+1,97∙t₁ )∙x₁ =1,01·350+(2493+1,97·350)·0,025=433,063 кДж/кг.

3) Определяем t_м1 для точки В. Принимаем, что сушка материала проходит в первом периоде (J₁ ≈J₂ ), тогда t_м1 =θ₂ =60 °С.

4) Расход тепла на нагрев материала:

Q_м =∙C_м ∙(q₂ -q₁ )= 1,603·2,5∙(60–5)=220,413 кДж/с,

где C_м =2,5 кДж/кг∙К при w_{а ср} =30 %.

5) Удельный расход тепла на нагрев материала:

q_м =Q_м /W=220,413/2,008=109,767 кДж/кг влаги.

6) Удельные потери тепла принимаем q_пот =100 кДж/кг влаги.

7) Внутренний тепловой баланс сушилки:

D=4,19∙q₁ -(q_м +q_пот )=4,19·5–(109,767+100)= –188,817 кДж/кг.

8) Координаты точки Е : зададимся x=0,05 кг/кг,

тогда J=J₁ +D∙(x-x₁ )= 433,063–188,817∙(0,05–0,025)=428,343 кДж/кг.

9) Строим точку Е по координатам x=0,05 кг/кг и J=428,343 кДж/кг.

10) Строим рабочую линию сушки , соединяя точку В с Е и продолжая

линию до пересечения с t₂ =90°C, получаем точку С – окончание сушки.

11) По координатам точки С определяем влагосодержание сушильного агента на выходе из сушилки: х₂ =0,120 кг/кг.

Теплосодержание сушильного агента на выходе из сушилки:

J₂ =1,01∙t₂ +(2493+1,97∙t₂ )∙x₂ =1,01·90+(2493+1,97·90)∙0,120=411,336 кДж/кг.

t_м ₂ =60 °С.

Тепловой баланс

Теплосодержание сушильного агента при х₁ и t₂ :

J₁₂ =1,01∙t₂ +(2493+1,97∙t₂ )∙x₁ =1,01·90+(2493+1,97·90)·0,025=157,658 Дж/кг.

Теплосодержание подсасываемого воздуха при t₀ и х₀ :

J_п0 =J₀ =15,061 кДж/кг.

Теплосодержание подсасываемого воздуха при t₂ и х₀ :

J_п ₂ =1,01∙t₂ +(2493+1,97∙t₂ )∙x₀ =1,01·90+(2493+1,97·90)·0,004=101,581 кДж/кг.

Расход тепла на испарение влаги:

Q_и =W∙(2493+1,97∙t₂ -4,19∙q₁ )=2,008∙(2493+1,97·90-4,19·5)=5319,895 кДж/с.

Расход тепла на нагрев материала:

Q_м =220,413 кДж/с (см. построение диаграммы).

Потери тепла:

Q_пот =W∙q_пот =2,008·100=200,8 кДж/с.

Расход сушильного агента:

L₁ =(Q_и +Q_м +Q_пот )/[(J₁ -J₁₂ )-0,05∙(J_п2 -J_п0 )]=(5319,895+220,413+200,8)/[(433,063–-157,658)–0,05∙(101,581–15,061)]=21,179 кг/с.

Количество паровой смеси, выходящей из сушилки:

L₂ =1,05∙L₁ =1,05·21,179=22,238 кг/с.

Влагосодержание сушильного агента на выходе из сушилки:

x₂ =x₁ +W/L₁ =0,025+2,008/21,179=0,120 кг/кг.

Теплосодержание сушильного агента на выходе из сушилки:

J₂ =1,01∙t₂ +(2493+1,97∙t₂ )∙x₂ =1,01·90+(2493+1,97·90)∙0,120=411,336 кДж/кг.

По диаграмме J-x: x₂ =0,120 кг/кг, J₂ =411,336 кДж/кг.

2.2.2 Гидродинамический расчет

Исходные данные:

Параметры опила

Вход в сушилку

Абсолютная влажность w_а1 =40 %

Эквивалентный диаметр d_э =0,012 м

Плотность при w_a1 [см.1, таблица 91] r_м1 =570 кг/м³

Фактор формы Ф=0,5

Выход из сушилки

Абсолютная влажность w_а2 =20 %.

Плотность при w_а2 [см.1, таблица 91] r_м2 =558 кг/м³ .

Параметры сушильного агента

Вход в сушилку

Расход L₁ =21,179 кг/с

Температура t₁ =350 °C

Влагосодержание х₁ =0,025 кг/кг

Плотность [1, таблица 57] r_t ₁ =0,544 кг/м³

Динамическая вязкость [см.6, приложение 3] m_t1 =31,32·10^-6 Па·с

Выход из сушилки

Расход L₂ =22,238 кг/с

Температура t₂ =90 °C

Влагосодержание х₂ =0,120 кг/кг

Плотность [1, таблица 57] r_t2 =0,884 кг/м³

Динамическая вязкость [см.6, приложение 3] m_t2 =20,0·10^-6 Па·с

Средние значения параметров:

t_ср =0,5·(t₁ +t₂ )=0,5·(350+90)=220 °C;

х_ср =0,5·(x₁ +x₂ )=0,5·(0,025+0,120)=0,073 кг/кг;

r_{t ср} =0,5·(r_t1 +r_t2 )=0,5·(0,544+0,884)=0,714 кг/м³ ;

m_{t ср} =0,5·(m_t1 +m_t2 )=0,5·(31,32+20)·10^-6 =25,66·10^-6 Па·с;

w_{а ср} =0,5·(w_а1 +w_а2 )=0,5·(40+20)=30 %;

r_{м ср} =630 кг/м³ при w_{а ср} =30 % (см.1, таблица 91);

θ_ср =0,5·(θ₁ +θ₂ )=0,5·(5+60)=32,5 °C;

C_м =2,4 кДж/кг∙К при w_{а ср} =30 % и θ_ср =32,5 °C;

λ_t ₌ 0,17 Вт/м·К при w_{а ср} =30 %.

Критерий Архимеда при t_ср =220 °С, ω_а _ср =30 %:

Ar=d_э ³ ∙r_{t ср} ∙r_{м ср} ∙g/m² _{t ср} =0,012³ ·0,714·630·9,81/(25,66·10^-6 )² =1,16·10⁷ .

Критерий Re_кр :

Re_кр =Ar·Ф² /[150·(1-ε₀ )/ε₀ ³ +(1,75·Ar/ε₀ ³ )^0,5 ]= 1,16·10⁷ ·0,5² /[150·(1-0,4)/0,4³ +

+(1,75· 1,16·10⁷ / 0,4³ )^0,5 ]=150,782

Критическая скорость:

w_кр =Re_кр ·m_{t ср} /d_э ·r_{t ср} =150,782·25,66·10^-6 /0,012·0,714=0,452 м/с.

Предельно допустимая скорость сушильного агента при ε=1 для d_min рассчитывается по формулам:

Ar_min = d_min ³ ·r_t _ср ∙r_{м ср} ·g/m² _{t ср} =0,006³ ·0,714·630·9,81/(25,66·10^-6 )² =1,45·10⁶

при d_min =0,5· d_э =0,5·0,012=0,006 м.

w´_вит = Ф^0,5 ·m_{t ср} ·Ar_min /[d_min ·r_{t ср} ·(18+0,61·Ar_min ^0,5 )]=

=0,5^0,5 ∙25,66·10^-6 ∙1,45∙10⁶ /[0,006·0,714·(18+0,61∙(1,45∙10⁶ )^0,5 )]=8,154 м/с.

Диаметр аэрофонтанной сушилки

Концентрация влажного опила в аэросмеси:

/L₁ ∙(1+x₁ )=3,611/21,179∙(1+0,025)=0,175 кг/кг.

Концентрация высушенного опила в аэросмеси:

/L₂ ∙(1+x₂ )=1,603/22,238·(1+0,120)=0,081 кг/кг.

Допустимая концентрация до 0,1 кг/кг.

Объемный расход парогазовой смеси на входе в сушилку:

V_t1 =L₁ ∙(1+x₁ )/r_t1 =21,179·(1+0,025)/0,544=39,905 м³ /с.

Объемный расход парогазовой смеси на выходе из сушилки:

V_t2 =L₂ ∙(1+x₂ )/r_t2 =22,238·(1+0,120)/0,884=28,175 м³ /с.

Критерий Архимеда при начальной влажности материала и параметрах сушильного агента на входе в сушилку:

Ar₁ =(d_э )³ ∙r_t1 ∙r_м1 ∙g/m² _t1 =0,012³ ·0,544·570·9,81/(31,32·10^-6 )² =5,36·10⁶ .

Скорость витания частиц опила:

(w_вит )_вх =Ф^0,5 ·m_t1 ·Ar₁ /[d_э ·r_t1 ·(18+0,61·Ar₁ ^0,5 )]=0,5^0,5 ∙31,32∙10^-6 ∙5,36·10⁶ /[0,012×

×0,544·(18+0,61∙(5,36·10⁶ )^0,5 )]=12,712 м/с.

Скорость газа в горловине:

w_г1 =1,5·(w_вит )_вх =1,5∙12,712=19,068 м/с.

Диаметр горловины:

d_г =(V_t ₁ /0,785∙w_г1 )^0,5 =(39,905/0,785·19,068)^0,5 =1,633 м.

Диаметр горловины принимаем 1700 мм.

Диаметр широкой части рюмки:

D=(V_t ₂ /0,785∙w_г2 )^0,5 =(28,175/0,785·3,814)^0,5 =3,068 м,

где w_г2 – скорость парогазовой смеси в широкой части рюмки, м/с.

w_г2 =(0,2÷0,5)∙w_вит =0,3∙12,712=3,814 м/с.

Диаметр широкой части рюмки принимаем равным 3100 мм.

Скорость w_г2 должна быть равна или меньше скорости витания высушенной измельчённой древесины из бересты (w_вит )_вых .

Критерий Архимеда при конечной влажности материала и параметрах сушильного агента на выходе из сушилки:

Ar₂ =(d_э )³ ∙r_t2 ∙r_м2 ∙g/m² _t2 =0,012³ ·0,884·558·9,81/(20,0·10^-6 )² =2,09·10⁷ .

Скорость витания частиц опила в широкой части рюмки:

(w_вит )_вых =Ф^0,5 ∙m_t2 ∙Ar₂ /[d_э ∙r_t2 ∙(18+0,61∙Ar₂ ^0,5 )]=0,5^0,5 ∙20,0·10^-6 ∙2,09·10⁷ /[0,012×

×0,884·(18+0,61∙(2,09·10⁷ )^0,5 )]=9,928 м/с.

Скорость парогазовой смеси w_г2 =3,814 м/с принята правильно, так как w_г2 <(w_вит )_вых .

Высота конуса:

Н_к =2·(D-d)=2·(3,1-1,7)=2,8 м.

Угол раскрытия конуса:

tg(α/2)=0,5·(D-d)/Н_к =0,5·(3,1-1,7)/2,8=0,25.

α/2=14º, откуда α=2∙14=28º.

Принимаем Н_к =2,8 м, при α=28º.

Объем усеченного конуса:

V_к =[π·H_к ·(D² +d² + D·d)]/12=[3,14∙2,8·(3,1² +1,7² +3,1∙1,7)/12=13,019 м³ .

Общий объем аэрофонтанной сушилки при А=180 кг/(м³ ∙ч):

V_суш =W/A=2,008∙3600/180=40,160 м³ .

Количество конусов (рюмок), последовательно установленных в аэрофонтанной сушилке:

n=V_суш /V_к =40,160/13,019=3,085. Принимаем n=3 шт.

Общая высота сушилки:

Н=(2∙d)∙2+n∙Н_к +0,5∙(D+d)∙4+2∙d=2∙1,7∙2+3∙2,8+0,5∙(3,1+1,7)∙4+2∙1,7=28,2 м.

Гидравлическое сопротивление сушилки

Гидравлическое сопротивление одного корпуса:

ΔР=0,062∙ρ_{м ср} ∙(D/d)^2,54 ∙(tg(α/2))^0,18 ∙(D/d-1)=0,062∙630∙(3,1/1,7)^2,54 ∙(0,25)^0,18 ×

×(3,1/1,7-1)=115,281 Па.

Гидравлическое сопротивление сушилки:

ΔР_c =n∙ΔР=3∙115,281=345,843 Па.

Принимаем аэрофонтанную сушилку, состоящую из трех конусов (рюмок): D=3,1 м; d=1,7 м; Н_к =2,8 м; Н=28,2 м; ΔР_c =345,843 Па.

3 Расчет и выбор вспомогательного оборудования и коммуникации

3.1 Бункер-питатель

Бункер-питатель используется для дозирования влажного опила в сушилку.

Производительность по влажному опилу, , кг/с 3,611

Относительная влажность опила, ω_о1 , % 66,7

Абсолютная влажность опила, ω_а1 , % 40

Насыпная плотность влажного опила [см.1, таблица 90] при ω_а1 =40 %

r_м1 =570 кг/м³ .

Объем бункера-питателя:

V=t∙/r_н =300×3,611/570=1,901 м³ ,

где t – продолжительность, необходимая для аварийного отключения ленточного транспортера, подающего опил в бункер, t=5 мин=300 с.

По ГОСТ 9931-61 выбираем бункер [1, таблица 79]:

ёмкость 2,0 м³

диаметр 700 мм

высота 1300 мм

сварной вертикальный цилиндрический аппарат с конически отбортованным днищем, углом конуса 90, с крышками и без них.

3.2 Ленточный транспортер

Ленточный транспортер перемещает влажный материал от бункера-хранилища в бункер-питатель.

Производительность транспортера, , кг/с 3,611

Насыпная плотность опила при ω_а1 =40 %, r_м1 , кг/м³ 570

Характеристика ленточного транспортера

Транспортер на трех роликовых опорах и на подшипниках скольжения.

Длина, L, м 30

Угол наклона к горизонту, a, град 10

Выбираем плоскую ленту шириной В=0,5 м, которая принимает форму желоба благодаря трем роликовым опорам.

Объемная производительность транспортера:

V=/r_м1 =3,611/570=0,006 м³ /с.

Скорость движения ленты:

w=V/0,16∙B² ∙c∙tg(0,35∙j)=0,006/0,16×0,5² ×1×tg(0,35×40)=0,602 м/с,

где с=1 при a=10°, j=40°.

Мощность на приводном валу транспортера:

N₀ =(K∙L∙w+0,54×10^-3 ∙∙L+10,1×10^-3 ∙∙Н)∙К₁ ∙К₂ =(0,018×30×0,602+0,54×10^-3 ×

×3,611×30+10,1×10^-3 ×3,611×5,209)×1,12×1,07=0,687 кВт,

где H=L∙sina=30·sin10=5,209 м; K=0,018 при В=0,5 м; К₁ =1,12 при L=30 м; К₂ =1,07.

Установочная мощность электродвигателя:

N=K₀ ∙N₀ /h=1,2×0,687/0,85=0,97 кВт.

Принимаем электродвигатель по N=0,97 кВт [см.5, таблица 17] типа АОЛ-12-2 N=1,1 кВт.

Принимаем ленточный транспортер типа Т1-К42Т

L=30 м, a=10°, В=500 мм, w=0,702 м/с, N=1,1 кВт.

3.3 Винтовой транспортер

Винтовой транспортер перемещает высушенный опил на следующую стадию производства.

Производительность, , кг/с 1,603

Относительная влажность, ω_o2 , % 25

Абсолютная влажность, w_а2 , % 20

Насыпная плотность материала [см.1, таблица 90] r_м2 =558 кг/м³ .

Характеристика винтового транспортера горизонтального

Длина, L, м 30

Шаг винта, м t=D_в

Угол наклона к горизонту, a, град 0

Объемная производительность винтового транспортера:

V=/r _м2 =1,603/558=0,003 м³ /с.

Частота вращения винта:

n=V/0,785∙∙t∙K₁ ∙K₂ =0,003/0,785×0,5² ×0,5×0,25∙1=0,122 с^-1 .

Принимаем D_в =t=0,5 м; K₁ =0,25; К₂ =1, т.к. a=0°.

Выбираем винтовой горизонтальный транспортер:

D_в =0,5 м; L=30 м; t=0,5 м.

Установочная мощность электродвигателя:

N=∙(L∙φ+H)∙g/1000∙h =1,603∙(30×2+0)∙9,81/1000×0,8=1,179 кВт.

Принимаем электродвигатель по N=1,179 кВт [см.5, таблица 17] типа А02-31-2 N=3,0 кВт.

3.4 Шлюзовой дозатор

Шлюзовой дозатор установлен под бункером-питателем. Назначение – равномерная, регулируемая подача влажного материала в сушилку. Дозатор одновременно выполняет и роль питателя.

Производительность , кг/с 3,611

Температура материала, q₁ , °С 5

Насыпная плотность при ω_а1 =40 %, r_м1 , кг/м³ 570

Объемная производительность шлюзового дозатора:

V=/r_м1 =3,611/570=0,006 м³ /с.

Выбираем стандартный шлюзовой дозатор по V=0,006 м³ /с [см.3, таблица 2] типа Ш1-45, диаметр ротора D=450 мм, длина ротора L=400 мм (равна диаметру загрузочного штуцера), частота вращения ротора n=0,035-0,33 с^-1 .

Частота вращения ротора для обеспечения производительности V=0,006 м³ /с:

n=V/0,785∙К₁ ∙К₂ ∙D² ∙L=0,006/0,785×0,8×0,8×0,45² ×0,4=0,147 с^-1 ,

где К₁ =0,8; К₂ =0,8.

Установочная мощность электродвигателя:

N=∙L∙g∙b∙j/1000∙h=3,611×0,4×9,81×3×2,5/1000×0,6=0,079 кВт,

где b=3; j=2,5.

Выбираем взрывозащищенный электродвигатель по N=0,049 кВт по [см.3, таблица 2], типа В80В6 N=1,1 кВт, n=24,3 с^-1 .

3.5 Шлюзовой затвор

Шлюзовые затворы установлены под циклонами и под винтовым транспортером.

Производительность , кг/с 1,603

Насыпная плотность при ω_а2 =20 %, r_м2 , кг/м³ 558

Объемная производительность шлюзового затвора:

V=/r _м2 =1,603/558=0,003 м³ /с.

Выбираем стандартный шлюзовой затвор по V=0,003 м³ /с по [см.3, таблица 2] типа Ш1-30, диаметр ротора D=300 мм, длина ротора L=250 мм (равна диаметру загрузочного штуцера), частота вращения ротора n=0,035-0,33 с^-1 .

Частота вращения ротора для обеспечения производительности V=0,003 м³ /с:

n=V/0,785∙К₁ ∙К₂ ∙D² ∙L=0,003/0,785×0,8×0,8×0,3² ×0,25=0,265 с^-1 ,

где К₁ =0,8, К₂ =0,8.

Установочная мощность электродвигателя:

N=∙L∙g∙b∙j/1000∙h=1,603×0,25×9,81×3×2,5/1000×0,6=0,049 кВт,

где b=3; j=2,5.

Выбираем взрывозащищенный электродвигатель по N=0,049 кВт по [см.3, таблица 2], типа В80В6 N=1,1 кВт, n=24,3 с^-1 .

Принимаем к установке три шлюзовых затвора.

3.6 Газовая горелка

Газовые горелки при сжигании природного газа работают с невысоким давлением и скоростью выхода газовой струи из сопла не более 60-70 м/с. Воздух на горение подается двумя потоками: через корпус горелки 20-40 % и 80-60 % непосредственно в топку (рисунок 1).

Расход природного газа, В, кг/ч 730,8

Плотность природного газа, ρ_г , кг/м³ [см.1, таблица 45] 0,78

Расход воздуха на горение, L, кг воздуха/кг газа 20,363

Плотность воздуха при t₀ =5 ºС и x₀ =0,004 кг/кг

ρ_в , кг/м³ [см.6, приложение 2] 1,226

Расход природного газа:

V_г =В/ρ_г =730,8/0,78=936,923 м³ /ч.

Расход воздуха на горение:

=L∙B∙ρ_в =20,363·730,8/1,226=12138,075 м³ /ч.

Диаметр газового сопла при w_с =70 м/с:

0,069 м.

Принимаем d=70 мм.

Диаметр трубы, подводящей газ к форсунке, при w_г =15 м/с:

0,149 м.

Принимаем трубу Ø152×7 по [см.5, таблица 8].

Определяем наружный диаметр трубы корпуса горелки.

Принимаем расход первичного воздуха 35% от =12138,075 м³ /ч, т.е.

V_в =0,35·12138,075=4248,326 м³ /ч,

а скорость воздуха в кольцевом сечении форсунки w_в =20 м/с, тогда сечение кольцевой щели:

f_воз =V_в /3600∙w_в =4248,326/3600·20=0,059 м² .

Диаметр кольцевой щели:

=0,274 м.

f_газ =V_г /3600∙w_г =936,923/3600·15=0,017 м² .

Сечение, занимаемое газовой трубой диаметром 152 мм, равно:

f=f_воз +f_газ =0,059+0,017=0,0076 м² .

Этому сечению соответствует диаметр:

0,311 м.

Принимаем трубу корпуса горелки Ø325×12 по [см.5, таблица 8].

Объемная производительность вторичного воздуха:

12138,075-4248,326=7889,749 м³ /ч.

Диаметр воздуховода вторичного воздуха при скорости w=3 м/с:

=0,965 м.

Принимаем воздуховод Ø1000×1,0 [см.5, таблица 2].

Диаметр воздуховода первичного воздуха:

=0,274 м.

Принимаем воздуховод Ø280×0,6 [см.5, таблица 2].

Гидравлической сопротивление газовой горелки ориентировочно принимаем равным ΔP_г =5000 Па.

3.7 Вентилятор подачи воздуха на горение

Расчет проводим согласно рисунку 1. Вентилятор и топка смонтированы на открытой площадке, защищенной от атмосферных осадков индивидуальным навесом. Воздух от вентилятора подается по параллельным воздуховодам, поэтому расчет проводим по линии наибольшего сопротивления – по линии подачи воздуха в горелку.

Параметры воздуха, подаваемого в форсунку

Объемная производительность, V_в , м³ /ч 4248,326

Температура, t₀ ,°С 5

Плотность, r_t0 , кг/м³ [см.6, приложение 2] 1,226

Динамическая вязкость, m_t0 , Па×с [см.6, приложение 3] 17,49×10^-6

Диаметр воздуховода, мм Ø280×0,6

Фактическая скорость воздуха:

w=V_в /0,785∙D² =4248,326/3600×0,785×0,2788² =19,34 м/с.

Критерий Рейнольдса:

Re=w∙D∙r_t0 /m_t0 =19,34×0,2788×1,226/17,49×10^-6 =377963,533.

Коэффициент трения определяем по критерию Re для гладкой трубы (шероховатости практически отсутствуют, так как воздуховод новый) и по Re=377963,533; е =0,1 мм, при d_э /е =278,8/0,1=2788 [см.1, рисунок 5]; l=0,018.

Длину воздуховода принимаем ориентировочно: L=7 м.

Местные сопротивления принимаем по [см.5, таблица 12] и рисунку 1:

конфузор (вход в вентилятор) z_к =0,21 1 шт.

диффузор (выход из вентилятора) z_диф =0,21 1 шт.

отводы при a=90° z_от =0,39 3 шт.

заслонка (задвижка) z_з =1,54 1 шт.

диафрагма (измерение расхода воздуха) z_д =2 1 шт.

вход в горелку z_вх =1 1 шт.

Sz=1∙z_к +1∙z_диф +3∙z_от +1∙z_з +1∙z_д +1∙z_вх =1×0,21+1×0,21+3×0,39+1×1,54+1×2+1×1=6,13.

Гидравлическое сопротивление воздуховода:

=(1+(l∙L/D)+Sz)∙(w² ∙r_t0 /2)=(1+(0,018×7/0,2788)+6,13)×( 19,34² ×1,226/2)=

=1738,415 Па.

Суммарное гидравлическое сопротивление от вентилятора до топки:

SDР^г =+DР_г +DР_топки =1738,415+5000+500=7238,415 Па,

где DР_г =5000 Па – сопротивление горелки при подаче воздуха на горение;

DР_топки =500 Па – сопротивление топки.

Выбираем вентилятор высокого давления [см.5, таблица 31] по =12138,075 м³ /ч=3,372 м³ /с и SDР^г =7238,415 Па.

Принимаем турбовоздуходувку марки ТВ-250-1,12 V=4,16 м³ /с, DР=12000 Па, n=49,3 с^-1 .

Установочная мощность электродвигателя:

N=b∙∙SDР^г /1000∙h=1,1×3,372×7238,415/1000×0,65=41,306 кВт.

Принимаем электродвигатель типа АО2-82-2, N=55,0 кВт [см.5, таблица 17].

3.8 Вентил ятор-дымосос

Вся сушильная установка (рисунок 1), начиная от камеры смешения, работает под небольшим разрежением. Это исключает утечку топочных газов через неплотности в газоходах и аппаратах и подсос воздуха на разбавление топочных газов.

3.8.1 Патрубок с обратным клапаном для подсасывания воздуха в камеру смешения (приточная шахта)

Воздух из атмосферы подсасывается в камеру смешения с целью снизить температуру топочных газов с 1000 °С до 350 °С.

Параметры атмосферного воздуха

Влагосодержание, х₀ , кг пара/кг воздуха 0,004

Температура, t₀ , °С 5

Масса воздуха, подаваемого в камеру смешения для разбавления топочных газов в расчете на 1 кг газа, L_см , кг воздуха/кг газа 85,218

Расход топлива, В, кг/ч 730,8

Плотность, r_t0 , кг/м³ [см.6, приложение 2] 1,226

Вязкость, m_t0 , Па×с [см.6, приложение 3] 17,49×10^-6

Давление, Р_t0 , Па 1,013×10⁵

Объемный расход воздуха на разбавление топочных газов:

=B·L_см ·(1+x₀ )/r_t0 =730,8×85,218·(1+0,004)/1,226=51000,346 м³ /ч=14,167 м³ /с.

Диаметр воздуховода рассчитываем, принимая скорость воздуха w=10 м/с по [см.5, таблица 9]:

D=1,343 м.

Выбираем стандартный диаметр воздуховода [см.5, таблица 2]: Ø 1400×1,0 мм, D=1,398 м.

Фактическая скорость воздуха:

w=/0,785·D² =14,167/0,785×1,398² =9,234 м/с.

Критерий Рейнольдса:

Re=w·D·r_t0 /m_t0 =9,234×1,398×1,226/17,49×10^-6 =904893,987.

Коэффициент трения l определяем для гладкой трубы по Re=904893,987, е =0,1 мм, при d_э /е =1398/0,1=13980 и по [см.1, рисунок 5] l=0,013.

Длина патрубка: L=2 м.

Местные сопротивления в патрубке принимаем по [см.5, таблица 12] и рисунку 1:

патрубок z_вх =2,5 1 шт.

выход из патрубка z_вых =1 1 шт.

Sz=z_вх +z_вых =2,5+1=3,5.

Гидравлическое сопротивление патрубка:

DR_патр =(1+(l·L/D)+Sz)(w² ·r_t0 /2)=(1+(0,013×2/1,398)+3,5)·(9,234² ×1,226/2)=

=236,18 Па.

3.8.2 Газоход от смесительной камеры до входа в сушилку

Сушильный агент

Температура, t₁ ,°C 350

Расход, L₁ , кг/с 21,179

Влагосодержание, х₁ , кг пара/кг воздуха 0,025

Динамическая вязкость, m_t1 , Па×с [см.6, приложение 3] 31,32·10^-6

Плотность сушильного агента:

r_t1 =Р·(1+х₁ )/462·(273+t₁ )·(0,62+x₁ )= 10⁵ ·(1+0,025)/462·(273+350)·(0,62+0,025)=

=0,552 кг/м³ .

Объемный расход сушильного агента:

V_t ₁ =L₁ ·(1+x₁ )/r_t1 =21,179·(1+0,025)/0,552=39,327 м³ /с.

Принимаем скорость сушильного агента w=18 м/с.

Диаметр газохода:

1,668 м.

Принимаем газоход Ø 1800×1,4 мм [см.5, таблица 2], D=1,797 м.

Фактическая скорость воздуха:

w=V_t ₁ /0,785·D² =39,327/0,785×1,979² =15,514 м/с.

Критерий Рейнольдса:

Re=w·D·r_t1 /m_t1 =15,514×1,797×0,552/31,32·10^-6 =491347,995.

Коэффициент трения l определяем для гладкой трубы по Re=491347,995, е =0,1 мм, при d_э /е =1797/0,1=17970 и по [см.1, рисунок 5] l=0,014.

Длину газохода принимаем ориентировочно: L=15 м.

Местные сопротивления принимаем по [см.5, таблица 12] и рисунку 1:

вход в газоход z_вх =1 1 шт.

отвод α=90° z_от =0,39 2 шт.

выход из газохода z_вых =1 1 шт.

Sz=z_вх +2·z_от +z_вых =1×1+2×0,39+1×1=2,78.

Гидравлическое сопротивление газохода при t₁ =350 ° C:

DR_t1 =(1+(l·L/D)+Sz)·(w² ·r_t1 /2)=(1+(0,014×15/1,797)+2,78)·(15,514² ×0,552/2)=

=258,864 Па.

Необходимое компенсационное удлинение газохода:

l=12,5×10^-6 ·t₁ ·L=12,5×10^-6 ×350×15=0,066 м.

Принимаем компенсатор по диаметру d=1800 мм, d_н =1820, D=2220 мм, a=200 мм, b=103 мм [см.5, таблица 11].

Рисунок 2 – Компенсатор однолинзовый

3.8.3 Газоход от сушилки до циклона-разгрузителя

Параметры парогазовой смеси, в ыходящей из сушилки

Температура, t₂ , °С 90

Расход с учетом подсоса, L₂ , кг/с 22,238

Влагосодержание, х₂ , кг/кг 0,120

Плотность, r_t2 , кг/м³ 0,884

Вязкость, m_t2 , Па×с 20,0·10^-6

Производительность по высушенному материалу, , кг/с 1,603

Участок решается как пневмотранспортная установка

Концентрация материала в транспортируемом воздухе:

=0,081 кг/кг (см. гидравлический расчет сушилки).

Производительность пневмопровода по транспортируемому материалу:

=·K_н =1,603·2=3,206 кг/с,

где К_н – подача материала в пневмопровод непосредственно из сушилки; К_н =2.

Скорость воздуха в горизонтальном пневмопроводе:

w_пн =K∙(4∙-W_в /W_м +0,01∙r_м2 +b)∙(1,2/r_t2 )^0,5 =[1,05∙(4·0,081-1/0,8+0,01·558+8)]× ×(1,2/0,884)^0,5 =17,927 м/с,

где К=1,05; W_в /W_м =1/А; А=0,80; b=10 [см.3, таблицу 1]; r_м2 =558 кг/м³ – насыпная плотность материала при w_а2 =20 % [см.2, таблица 5].

Расход воздуха пневмотранспортной установки:

V=/(∙r_t2 )=1,603/(0,081·0,884)=22,387 м³ /с.

Диаметр пневмопровода:

D=1,231 м.

Выбираем стандартный диаметр газохода Ø 1250×1,0 мм [см.5, таблица 2], D=1,248 м.

Фактическая скорость парогазовой смеси:

w=V/0,785∙D² =22,387/0,785×1,248² =18,31 м/с.

Критическая скорость воздуха:

w_кр =5,6∙D^0,34 ∙d_э ^0,36 ∙(ρ_м2 /ρ_t2 )^0,5 ∙^0,25 =5,6·1,248^0,34 ·0,012^0,36 ·(558/0,884)^0,5 ·0,081^0,25 =

=16,467 м/с.

Фактически скорость воздуха w=18,31 м/с больше критической w_кр =16,467 м/с. Следовательно, материал будет транспортироваться, не оседая на дно горизонтального участка трубопровода.

Критерий Рейнольдса:

Re=w∙D∙r_t2 /m_t2 =18,31×1,248×0,884/20,0×10^-6 =1010008,9.

Коэффициент трения l определяем для гладкой трубы по Re=1010008,9, е =0,1 мм, при d_э /е =1248/0,1=12480 и по [см.1, рисунок 5] l=0,013.

Длину пневмопровода принимаем ориентировочно по рисунку 1 L=30 м.

Местные сопротивления принимаем по [см.5, таблица 12] и рисунку 1:

вход в трубу z_вх =1 1 шт.

отводы при α=90º z_от =0,39 2 шт.

переход с круглого сечения на прямоугольный

(вход в циклон) z_п =0,21 1 шт.

заслонка z_з =1,54 1 шт.

Sz=z_вх +2·z_от +z_п +z_з =1×1+2×0,39+1×0,21+1×1,54=3,53.

Потери давления при движении чистого воздуха:

DR_в =(1+l·L/D+Sz)·(w² ·r_t2 /2)=(1+(0,013×30/1,248)+3,53)·(18,31² ×0,884/2)=

=717,577 Па.

Потери, возникающие при движении материала по пневмопроводу:

DR_мат =0,5·λ_у ··l·w² ·r_t2 /D=0,5×0,015×0,081×30×18,31² ×0,884/1,248=4,328 Па,

где λ_у =0,01-0,02, принимаем коэффициент сопротивления трения λ_у =0,015,

l=l₁ +l₂ =10+20=30 м согласно рисунку 1.

Потери давления на разгон материала при загрузке его в пневмопровод:

DR_разг =ζ_разг ··0,5·w² ·r_t2 =1,5×0,067×0,5×18,31² ×0,884=18,004 Па,

где ζ – коэффициент сопротивления разгонного участка, принимается в пределах ζ_разг =1-2; принимаем ζ_разг =1,5.

Общее гидравлическое сопротивление пневмопровода:

DR_пн =DR_в +DR_мат +DR_разг =717,577+4,328+18,004=739,909 Па.

Необходимое компенсационное удлинение газохода:

L=30 м.

l=12,5×10^-6 ·t₂ ·L=12,5×10^-6 ×90×30=0,034 м.

Принимаем компенсатор по диаметру d=1400 мм, d_н =1420, D=1820 мм, a=180 мм, b=93 мм [см.5, таблице 11].

3.8.4 Циклон-разгрузитель пневмотранспортной установки

Назначение – отделение транспортируемого материала от воздуха.

Размер частиц материала, d_э , м 0,012

Производительность по высушенному материалу, , кг/с 1,603

Объемный расход очищаемого газа, V, м³ /с 22,387

Температура, t₂ , °С 90

Вязкость, m_t2 , Па·с 20,0·10^-6

Запыленность воздуха на входе в циклон:

=/V=1,603/22,387=0,072 кг/м³ .

Выбираем циклон ЦН-24, так как улавливаются крупные частицы d_э =12 мм. Принимаем циклон диаметром D=1000 мм.

Коэффициент гидравлического сопротивления группового циклона:

=К₁ ·К₂ ·z_ц500 +К₃ =1,00·0,90·75+35=102,5,

где z_ц500 =75 [см.3, таблица 13] для ЦН-24, работающего на сеть; К₁ =1,00 при D=1000 мм [см.3, таблица 14]; К₂ =0,90 при =0,072 кг/м³ [см.3, таблица 15], К₃ =35 для прямоугольной компоновки с центральным подводом и отводом воздуха [см.3, таблица 16].

Отношение по DR_ц /r_t для циклона ЦН-24 принимаем: DR_ц /r_t =500 м² /с² .

Условная скорость воздуха в циклоне:

w_ц =[(DR_ц /r_t )/(0,5·)]^0,5 =[500/(0,5·102,5)]^0,5 =3,123 м/с.

Объемный расход воздуха, проходящего через один элемент группового циклона:

υ=0,785·D² ·w_ц =0,785·1² ·3,123=2,452 м³ /с.

Число циклонных элементов в групповом циклоне:

Z=V/υ=22,387/2,452=9,13.

Выбираем групповой циклон ЦН-24 из 10 элементов диаметром 1000 мм.

Скорость газа в элементах группового циклона:

w_ц =V/0,785·D² ·Z=22,387/0,785·1,0² ·10=2,852 м/с.

Гидравлическое сопротивление группового циклона:

DR_ц1 =0,5∙∙w_ц ² ∙r_t2 =0,5·102,5·2,852² ·0,884=368,507 Па.

где r_t2 =0,884 кг/м³ (см. расчет пневмотранспортной установки).

3.8.5 Газоход между циклонами

Температура, t₂ , °С 90

Расход, L₂ , кг/с 22,238

Влагосодержание, х₂ , кг/кг 0,120

Плотность, r_t2 , кг/м3 0,884

Вязкость, m_t2 , Па×с 20,0·10^-6

Объемный расход, V_t2 , м3/с 22,387

Диаметр газохода находим, принимая скорость воздуха w=12 м/с:

1,542 м.

Выбираем стандартный диаметр газохода Ø 1600×1,0 мм [см.5, таблица 2], D=1,598 м.

Фактическая скорость парогазовой смеси:

w=V_t ₂ /0,785∙D² =22,387/0,785×1,598² =11,168 м/с.

Критерий Рейнольдса:

Re=w∙D∙r_t2 /m_t2 =11,168×1,598×0,884/20,0×10^-6 =788813,709.

Коэффициент трения l определяем для гладкой трубы по Re=788813,709, е =0,1 мм, при d_э /е =1598/0,1=15980 и по [см.1, рисунок 5] l=0,013.

Длину газохода принимаем ориентировочно: L=2 м.

Местные сопротивления принимаем по [см.5, таблица 12] и рисунку 1:

вход в газоход z_вх =1 1 шт.

отводы a=90° z_от =0,39 3 шт.

переход с круглого сечения на прямоугольный

(вход в циклон) z_п =0,21 1 шт.

Sz=z_вх +3z_от +z_п =1+3×0,39+0,21=2,38.

Гидравлическое сопротивление газохода при t₂ =90 ° C:

DR_t2 =(1+l∙L/D+Sz)∙(w² ∙r_t2 /2)=(1+0,013×2/1,598+2,38)∙(11,168² ×0,884/2)=

=187,23 Па.

Необходимое компенсационное удлинение газохода:

l=12,5×10^-6 ∙t₂ ∙L=12,5×10^-6 ×90×2=0,002 м.

Принимаем компенсатор по диаметру d=1600 мм, d_н =1620, D=2020 мм, a=200 мм, b=103 мм [см.5, таблице 11].

3.8.6 Циклон-о чиститель

Назначение – улавливает частицы высушенного материала после циклона-разгрузителя. В циклоне-разгрузителе уловлено 85 % материала, т.е. в циклон-очиститель попадает оставшийся материал (15 %). Таким образом, производительность по материалу составит _к = 1,603·0,15=0,240 кг/с.

Циклон работает на выхлоп.

Размер частиц материала, d_э , м 0,012

Производительность по высушенному материалу, , кг/с 0,240

Объемный расход, V_t2 , м³ /с 22,387

Температура, t₂ , °С 90

Влагосодержание, х₂ , кг/кг 0,120

Запыленность воздуха на входе в циклон:

=/V_t ₂ =0,240/22,387=0,011 кг/м³ .

Принимаем к установке групповой циклон ЦН-15.

Коэффициент гидравлического сопротивления группового циклона:

=К₁ ∙К₂ ∙z_ц500 +К₃ =1,0·0,87·163+35=176,81,

где z_ц500 =163 [см.3, таблица 13] для ЦН-15, работающего на выхлоп; К₁ =1,0 [см.3, таблица 14]; К₂ =0,87 при =0,011 кг/м³ [см.3, таблица 15]; К₃ =35 для прямоугольной компоновки с централизованным подводом и отводом воздуха [см.3, таблицы 16].

Принимаем диаметр циклона D=1000 мм. Отношение по DR_ц /r_t для циклона ЦН-15 принимаем: DR_ц /r_t =750 м² /с² .

Условная скорость воздуха в циклоне:

w_ц =[(DR_ц /r_t )/0,5∙]^0,5 =[750/0,5·176,81]^0,5 =2,913 м/с.

Объемный расход воздуха, проходящего через один элемент группового циклона:

υ=0,785∙D² ∙w_ц =0,785·1,0² ·2,913=2,287 м³ /с.

Число циклонных элементов в групповом циклоне:

Z=V/υ=22,387/2,287=9,789.

Выбираем групповой циклон ЦН-15 из 10 элементов диаметром 1000 мм.

Скорость газа в элементах группового циклона:

w_ц =V/0,785∙D² ∙Z=22,387/0,785·1,0² ·10=2,852 м/с.

Абсолютное давление запыленного воздуха в циклоне (циклон работает под разрежением):

Р_а =В±Р=9,81·10⁴ –1768,026=96331,974 Па.

где В=9,81·10⁴ Па – атмосферное давление;

Р – давление газов на входе в циклон – сумма гидравлических сопротивлений газоходов и аппаратов до циклона:

Р=∑Р_i =DR_патр +DR_t1 +DР_с +DR_пн +DR_t2 =236,18+258,864+345,843+739,909+187,23=

=1768,026 Па

Плотность влажного воздуха при рабочих условиях:

r_t =Р_а ∙(1+х₂ )/462∙(273+t₂ )∙(0,62+х₂ )= 96331,974∙(1+0,120)/462∙(273+90)∙(0,62+

+0,120)=0,869 кг/м³

Гидравлическое сопротивление группового циклона:

DR_ц2 =0,5∙∙w_ц ² ∙r_t =0,5·176,81·2,852² ·0,869=624,879 Па.

3.8.7 Газоход между циклоном и дымовой трубой

Температура, t₂ , °С 90

Расход, L₂ , кг/с 22,238

Влагосодержание, х₂ , кг/кг 0,120

Плотность, r_t2 , кг/м³ [см.6, приложение 2] 0,884

Вязкость, m_t2 , Па×с [см.6, приложение 3] 20,0×10^-6

Объемный расход парогазовой смеси:

V_t ₄ =L₂ ∙(1+x₂ )/r_t2 =22,238∙(1+0,120)/0,884=28,175 м³ /с.

Диаметр газохода находим, принимая скорость воздуха w=12 м/с:

1,729 м.

Выбираем стандартный диаметр газохода Ø 1800×1,4 мм [см.5, таблица 2], D=1,797 м.

Фактическая скорость парогазовой смеси:

w=V_t ₄ /0,785∙D² =28,175/0,785×1,797² =11,115 м/с.

Критерий Рейнольдса:

Re=w∙D∙r_t2 /m_t2 =11,115×1,797×0,884/20,0×10^-6 =882835,551.

Коэффициент трения l определяем для гладкой трубы по Re=882835,551, е =0,1 мм, при d_э /е =1797/0,1=17970 и по [см.1, рисунок 5] l=0,013.

Длину газохода принимаем ориентировочно: L=45 м, минимальная высота дымовой трубы 16 м.

Местные сопротивления принимаем по [см.5, таблица 12] и рисунку 1:

вход в газоход z_вх =1 1 шт.

отводы a=90° z_от =0,39 3 шт.

заслонка (задвижка) z_з =1,54 1 шт.

диафрагма при dо=0,5D, m=0,25 z_д =29,4 1 шт.

переход (вход и выход из вентилятора) z_п =0,21 2 шт.

выход из дымовой трубы в атмосферу с зонтом z_д.тр =1,3 1 шт.

Sz=z_вх +3∙z_от +z_з +z_д +2∙z_п +z_д.тр =1+3×0,39+1,54+29,4+2×0,21+1,3=34,83.

Гидравлическое сопротивление газохода при t₂ =90 ° C:

DR_t4 =(1+l∙L/D+Sz)∙(w² ∙r_t2 /2)=(1+0,013×45/1,797+34,83)∙(11,115² ×0,884/2)=

=1974,313 Па.

Необходимое компенсационное удлинение газохода:

l=12,5×10^-6 ∙t₂ ∙L=12,5×10^-6 ×90×45=0,051 м.

Принимаем компенсатор по диаметру d=1800 мм, d_н =1820, D=2220 мм, a=200 мм, b=103 мм [см.5, таблице 11].

3.8.8 Выбор вентилятора-дымососа

Суммарное гидравлическое сопротивление сети:

SDR=DR_патр +DR_t1 +DR_c +DR_пн +DR_ц ₁ +DR_t2 +DR_ц ₂ +DR_t4 =236,18+258,864+345,843+

+739,909+368,507+187,23+624,879+1974,313=4735,725 Па.

Приведенное сопротивление:

DR_пр =SDR∙(273+t₂ )∙P_о /273∙(P_о +SDR)=4735,725∙(273+90)×10⁵ /273∙(10⁵ +4735,725)=

=6012,23 Па.

По V_t ₄ =28,175 м³ /с=101430 м³ /ч и DR_пр =6012,23 Па выбираем газодувку по [см.5, таблица 31].

Принимаем дымосос ДН-21, V=144 тыс. м³ /с, DR=6000 Па, n=16,6 c^-1 .

Установочная мощность электродвигателя:

N_э =b∙V_t ₄ ∙DR_пр /1000∙h=1,1×28,175×6012,23/1000×0,55=207,038 кВт.

Выбираем электродвигатель типа А3-315М-2, N=200 кВт [см.5, таблица 31].

4 Технико-экономические показатели сушилки

Технологические показатели работы сушилки

Производительность:

=13 т/ч=3,611 кг/с.

Удельная производительность по испарённой влаге (напряжение по влаге):

A=180 кг/(м³ ∙ч).

Удельный объёмный расход сушильного агента:

υ= V_t1 /V_суш =39,905/40,160=0,994 м³ /(м³ ∙с).

Энергетические показатели работы сушилки

Тепловой КПД процесса сушки:

η₁ = Q_и /Q_общ =5319,895/5741,108=0,927,

где Q_общ =Q_и +Q_м +Q_пот =5319,895+220,413+200,8=5741,108 кДж/с.

Термический КПД сушилки:

η₂ = (J₁ -J₂ )/J₁ =(433,063-411,336)/433,063=0,05.

Коэффициент теплового напряжения:

B_t =(t₁ -t₂ )/t₁ =(350-90)/350=0,743.

Удельный расход природного газа на 1 кг испарённой влаги:

d_B =B/W=0,203/2,008=0,101 кг/кг.

Удельный расход природного газа на 1 кг высушенного материала:

d_G =B/=0,203/1,603=0,127 кг/кг.

Удельный расход тепла на 1 кг испарённой влаги:

d_Q =Q_общ /W=5741,108/2,008=2859,118 кг/кг.

Удельный расход электроэнергии на 1 кг испарённой влаги:

d_N =ΣN_i /W=(1,1+3,0+1,1+1,1∙3+55,0+200,0)/2,008=131,225 кДж/кг=

=0,036 (кВт·ч)/кг,

где N₁ =1,1 кВт – ленточный транспортер;

N₂ =3,0 кВт – винтовой транспортер;

N₃ =1,1 кВт – шлюзовый дозатор (под бункером-питателем);

N₄ =1,1 кВт – шлюзовый затвор (под циклоном-разгрузителем);

N₅ =1,1 кВт – шлюзовый затвор (под циклоном-очистителем);

N₆ =1,1 кВт – шлюзовый затвор (после винтового транспортера);

N₇ =55,0 кВт – вентилятор подачи воздуха на горение;

N₈ =200,0 кВт – вентилятор-дымосос.

Список использованных источников

1 Процессы и аппараты химической технологии. Справочные материалы. Сост. канд. техн. наук Орлов В.П. Екатеринбург: УГЛТУ, 2002. – 121 с.

2 Ведерникова М.И., Орлов В.П., Терентьев В.Б., Штеба Т.В., Кожевников Н.П. Проектирование сушильных установок для сушки измельченной древесины. Ч. I. Технологические и гидродинамические расчеты сушилок. Екатеринбург: УГЛТА, 2001. 40 с.

3 Ведерникова М.И., Старцева Л.Г., Орлов В.П., Терентьев В.Б. Проектирование сушильных установок для сушки измельченной древесины. Ч. II. Технологические и гидродинамические расчеты сушилок. Екатеринбург: УГЛТА,2001.44 с.

4 Ведерникова М.И., Старцева Л.Г., Орлов В.П., Терентьев В.Б. Проектирование сушильных установок для сушки измельченной древесины. Ч. III. Примеры расчетов сушилок. Екатеринбург: УГЛТА, 2001. 44 с.

5 Ведерникова М.И. Гидравлические расчеты. Ч. I. Расчет и выбор насосов и вентиляторов. Екатеринбург: УГЛТА, 2000. 40 с.

6 Старцева Л.Г., Ведерникова М.И. Гидравлические расчеты. Ч. II. Примеры расчетов и выбора насосов и вентиляторов. Екатеринбург: УГЛТА, 2000. 44 с.

7 Ведерникова М.И., Таланкин В.С., Панова Т.М. Общие требования к выполнению и оформлению курсовых и дипломных проектов (работ). Требования к текстовой части. Ч. I. Екатеринбург, УГЛТУ, 2002. 56 с.

8 Ведерникова М.И., Таланкин В.С., Панова Т.М. Общие требования к выполнению и оформлению курсовых и дипломных проектов (работ). Требования к графической части. Ч. II. Екатеринбург, УГЛТУ, 2002. 50 с.

9 Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию / Под ред. Ю.И.Дытнерского. М.: Химия, 1991. 495 с.