Расчет барабана-сушилки

3. РАСЧЕТ СУШИЛЬНОГО  БАРАБАНА 

       Сушка глины производится топочными газами в сушилке барабанного типа. В качестве топлива выступает Саратовский природный газ. Для сушки используются топочные газы, так как для процесса сушки глины требуется начальная температура сушильного агента 600°С. Так как начальная температура сушильного агента больше 200°С, то по рекомендациям из [5], конечная температура сушильного агента составляет 100°С. Район работы установки город Омск (Россия). Производительность по исходному влажному материалу составляет 10000 кг / ч. 

3.1. Параметры  топочных газов, подаваемых в  сушилку 

       В качестве топлива используется природный  сухой газ Саратовского месторождения (Россия) [3] следующего состава (в % об.), табл. 3.1.

       Таблица 3.1

       Состав  саратовского природного газа

 

СН₄ – 94; С₂Н₆ – 1,2; С₃Н₈ – 0,7; С₄Н₁₀ – 0,4; С₅Н₁₂ – 0,2; СО₂ – 0,2; N₂ – 3,3.

       Для определения теплоты сгорания топлива  воспользуемся характеристиками горения простых газов [2, 7].

       Таблица 3.2

       Характеристика  горения простых газов

 

       Количество  тепла Q_V, выделяющегося при сжигании 1 м³ газа определяется как сумма произведений тепловых эффектов составляющих горючих газов на их количество [2]:

Q_V = 35741· СН₄ + 63797· С₂Н₆ + 91321· С₃Н₈ + 118736· С₄Н₁₀ + 146080· С₅Н₁₂ (3.1)

Q_V = 35741  0,94 + 63797· 0,012 + 91321· 0,007 + 118736· 0,004 + 146080· 0,002 =

      = 35768,5 кДж / м³. 
 
 
 
 
 
 

       Плотность газообразного топлива равна  [2]:

        ,    (3.2)

где М_i – мольная масса топлива; t_T – температура топлива, равная 20ºС; V_o – мольный объем, равный 22,4 м³/кмоль, С_mH_n – объемные концентрации составляющих природного газа (СН₄; С₂Н₆; С₃Н₈; С₄Н₁₀;С₅Н₁₂; СО₂; N₂).

= 16 кг/кмоль;  = 30 кг/кмоль; = 44 кг/кмоль;               =58 кг/кмоль; =72 кг/кмоль; = 44 кг/кмоль; = 28 кг/кмоль.

Подстав данные значения, получим:

= 0,71 кмоль / кг.

       Количество  тепла, выделяющееся при сжигании 1 кг топлива [2]:

       Q = Q_V / ρ_T      (3.3)

       Q = 35768,5 / 0,71 = 50378,2 кДж / кг

       Теоретическое количество сухого воздуха L₀, затрачиваемого на сжигание 1 кг топлива [2]:

             (3.4)

       Подставив значения в формулу (3.4) получим:

=

= 54,6 кг / кг.

       Масса сухого газа, подаваемого в сушильный  барабан, в расчете на 1 кг сжигаемого топлива определяется общим коэффициентом  избытка воздуха α, необходимого для сжигания топлива и разбавления топочных газов до температуры смеси t_см = 600ºС.

       Значения  α находят из уравнений теплового  и материального балансов.

       Уравнение материального баланса [2]:

        ,    (3.5)

где L_с.г. – масса сухих газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива; С_mH_n – массовая доля компонентов, при сгорании которых образуется вода, кг/кг.

       Уравнение теплового баланса [2]:

 ,  (3.6)

где η  – общий коэффициент полезного  действия топки, принимаем η = 0,95 [2]; с_т = 1,34 кДж/(кг·К) – теплоемкость газообразного топлива при температуре       t_т = 20ºС; I₀ – энтальпия свежего воздуха, кДж / кг; i_с.г. – энтальпия сухих газов, кДж/кг; i_п – энтальпия водяных паров. кДж/кг. 
 

       Энтальпия сухих газов i_с.г. равна [2]:

       i_с.г. = с_с.г. · t_с.г.,      (3.7)

где с_с.г – удельная теплоемкость топочных газов (принимаем приближенно равной теплоемкости воздуха при средней температуре дымовых газов), кДж/(кг·К); t_с.г – температура топочных газов на выходе из топки.

       Удельная теплоемкость дымовых газов при их средней температуре     (600 + 100) / 2 = 350°С, равна с_д.г. = 1,03·10³ Дж / (кг·К).

с_с.г = 1,03 кДж / (кг·К); t_с.г. = 600ºС.

       Подставим данные значения в формулу (3.7) и получим:

       i_с.г. = 1,03 · 600 = 618 кДж / кг.

       Энтальпия водяных паров i_п равна [2]:

       i_п = r₀ +с_п · t_п,      (3.8)

где r₀ – теплота испарения воды при температуре 0ºС, равная r₀ = 2493 кДж / кг [4]; с_п – средняя теплоемкость водяных паров, равная с_п = 1,97 кДж / кг; температура водяных паров равна t_п = t_с.г. = t_см = 600ºС.

       Тогда

       i_п = 2493 + 1,97 · 600 = 3675 кДж / кг.

       Для определения энтальпии свежего  воздуха I₀ воспользуемся диаграммой Рамзина. Параметры свежего воздуха в районе работы установки, т.е. России в городе Омске, для летних и зимних условий равны [3]:

       Для зимних условий:

       t₀ = – 19,6ºС – среднесуточная температура атмосферного воздуха для января; φ₀ = 85% – относительная влажность атмосферного воздуха.

       Примем, что установка находится в  помещении, следовательно, зимой воздух нагревается в помещении до температуры 25°С перед подачей в топку.

       По  диаграмме Рамзина определим  влагосодержание х₀ и энтальпию I_о.

       х₀ = 0,0019 кг / кг сухого воздуха. При температуре помещения 25°С энтальпия воздуха равна I_о = 30 кДж / кг сухого воздуха.

       Для летних условий:

       t₀ = 19,1ºС – среднесуточная температура атмосферного воздуха для июля; φ₀ = 70% – относительная влажность атмосферного воздуха.

       Влагосодержание х₀ и энтальпия I_о атмосферного воздуха равны:

       х₀ = 0,01 кг / кг сухого воздуха; I_о = 45 кДж / кг сухого воздуха.

       Пересчитаем компоненты топлива, при сгорании которых образуется вода, из объемных долей в массовые:

        ,     (3.9)

где Т₁ = 0ºС; Т₂ = 20ºС; V₀ = 22,4 м³ / кмоль; ρ_т = 0,71 кг / м³; М – молярная масса соответствующего газа, кг / кмоль.

       

 кг / кг;

       

 кг / кг;

       

 кг / кг;

       

 кг / кг;

       

 кг / кг.

       Количество  влаги, выделяющееся при сгорании 1 кг топлива [2]:

       Решая совместно уравнения для теплового и материального балансов, получаем следующее выражения для коэффициента избытка воздуха α:

  (3.10)

       Определим коэффициент избытка воздуха  для летнего и зимнего периодов года:

       Для зимних условий:

       

= 1,26.

       Для летних условий:

       

= 1,23.

       Общая удельная масса сухих газов, получаемых при сжигании 1 кг топлива и разбавлении топочных газов воздухом до температуры смеси 600ºС [2]:

            (3.11)

       Для зимних условий:

       

= 67,7 кг / кг.

       Для летних условий:

       

 = 66,1 кг / кг.

       Удельная  масса водяных паров в газовой  смеси при сжигании 1 кг топлива  равна [2]:

           (3.12)

       Для зимних условий:

       

= 2,214 кг / кг.

       Для летних условий:

       

= 2,755 кг / кг.

       Влагосодержание газов на входе в сушилку (х₁ = х_см) на 1 кг сухого воздуха равно[2]:

       х₁ = G_п / G_с.г.      (3.13) 

       Для зимних условий:

       х^З₁ = 2,214 / 67,7 = 0,0327 кг / кг.

       Для летних условий:

       х^Л₁ = 2,755 / 66,1 = 0,0417 кг / кг.

       Энтальпия газов на входе в сушилку I₁ равна [2]:

            (3.14)

       Для зимних условий:

       

= 738 кДж / кг.

       Для летних условий:

       

= 770 кДж / кг. 

       3.2. Материальный и тепловой балансы сушилки 

       Из  уравнения материального баланса  сушки (3.15) определим расход влаги, удаляемой из высушиваемого материала W и расход высушенного материала G_к.

       G_н = G_к + W     (3.15)

       Расход  влаги, удаляемой из высушиваемого материала равен [5]:

        ,      (3.16)

где G_н – производительность по исходному влажному материалу, кг/ч; ω_н, ω_к – влажность материала начальная и конечная соответственно.

G_н = 10000 кг / ч; ω_н = 20% масс. ω_к = 7% масс.

       

1398 кг / ч.

       Расход высушенного материала равен:

       G_к = G_н – W      (3.17)

       G_к = 10000 – 1398 = 8602 кг / ч.

       Запишем уравнение внутреннего теплового  баланса сушилки [2]:

        ,     (3.18)

где Δ – разность между удельным приходом и расходом тепла непосредственно в сушильной камере; с_в – теплоемкость воды (влаги) в материале,                               с_в = 4190 Дж/(кг·К); θ_н – температура влажного материала; q_м – удельный подвод тепла с высушиваемым материалом кДж / кг влаги; q_п – удельные потери тепла в окружающую среду. кДж / кг влаги.