Расчет сушильной установки барабанного типа

      Отработанный  сушильный агент перед выбросом в атмосферу очищается от пыли в циклоне 4.

      Транспортировка сушильного агента через сушильную установку осуществляется с помощью вентилятора 5. При этом установка находится под небольшим разрежением, что исключает утечку сушильного агента через неплотности установки.

      Барабан приводится во вращение электродвигателем  через зубчатую передачу.

 

2. АНАЛИТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СУШИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

2.1. Определение и  выбор основных  расчетных параметров  теплоносителя

     По [5] определяем параметры свежего  воздуха для Уральска:

     – зимой t₀ = –14ºC, φ₀ = 0,85;

     – летом t₀ = 23,5ºC, φ₀ = 0,47.

      Влагосодержание воздуха:

,

где Р_н – давление насыщенного водяного пара при температуре t, В – барометрическое давление.

     По [5] определяем при t₀ = –14ºC Р_н = 1,357 мм рт. ст., при t₀ = 23,5ºC Р_н = 21,73 мм рт. ст. Влагосодержание воздуха:

     зимой x₀= 0,622 = 0,00095 кг/кг сухого воздуха;

     летом х₀= 0,622 = 0,00847 кг/кг сухого воздуха.

      Теплосодержание влажного воздуха I (в кДж/кг сухого воздуха):

,

где t –  температура воздуха в °С; х  – влагосодержание в кг/кг.

На входе  в калорифер:

– зимой I₀=(1+1,97·0,00095)(–14)+2493·0,00095 = - 11,7 кДж/кг сухого воздуха.

– летом I₀=(1+1,97·0,00847)23,5+2493·0,00847 = 45 кДж/кг сухого воздуха.

На входе  в сушилку (x₁ = x₀):

– зимой  I₁=(1+1,97·0,00095)109+2493·0,00095= 111,57 кДж/кг сухого воздуха.

– летом I₁=(1+1,97·0,00847)109+2493·0,00847= 131,93 кДж/кг сухого воздуха.

2.2. Материальный баланс  сушилки

      Количество  влажного материала, поступающего на сушку:

,

где G_сух – производительность сушилки по абсолютно сухому продукту, кг/с; ω₁– начальная влажность материала, %.

      Количество  высушенного материала:

,

ω₂ – конечная влажность материала, %.

      Количество  влаги, удаляемой в сушилке:

=0,667–0,569=0,098 кг/с.

2.3. Предварительный  выбор основных  габаритных размеров  барабана

      Объем сушильного барабана V_б (м³) может быть ориентировочно определен по формуле:

,

где A_v – объемное напряжение барабана по влаге, кг/(м³ч).

V_б=3600·0,098/1,5=235,2 м³.

      Далее по справочным данным выбираем длину  и диаметр барабанной сушилки: L_б= 22 м, D_б=2,8 м [3].

      Тогда объем сушильного пространства составит

V_б=0,785

=0,785·2,8²·22=135,39 м³.

2.4. Расход сушильного агента и тепловой баланс сушилки

Расчет  выполняется отдельно для зимних и летних условий работы сушилки.

2.4.1. Для зимних условий

     Задаемся  произвольно влажностью воздуха  на выходе из сушилки φ₂=13,25%. Влагосодержание воздуха на выходе из сушилки при t₂=60°С < 100 °С:

0,01663,

где Р_п2 = 149,4 мм рт. ст. – давление насыщенного водяного пара при температуре t₂=60ºC [3].

     При использовании воздуха в качестве сушильного агента расход сухого воздуха L определяют по формуле:

= =1,276 кг/с.

     Удельный  расход сухого воздуха на сушку:

= =63,8.

     Удельный  расход тепла на подогрев воздуха  в калорифере q_к:

=63,8(111,57– (–11,7)) = 7865,63 кДж/(кг влаги).

      Энтальпия сушильного агента на выходе из сушилки

I₂=(1+1,97·0,01663)60+2493·0,01663=103,42 кДж/кг.

    Теплоемкость  материала на выходе из сушилки определяют по формуле:

,

где c_сух– удельная теплоемкость сухого материала, Дж/(кг·К), определяемая по справочным данным; ω₂– влажность материала в %; с_вл – теплоемкость влаги, Дж/(кг·К).

      По [9] определяем для зерна с_сух=1760 Дж/(кг·К).

=1760·(100–12,2)/100+4190·12,2/100=1772 Дж/(кг·К).

     Потери  тепла в окружающую среду в  кДж/кг влаги находят из основного  уравнения теплопередачи:

где F –  площадь наружной поверхности сушилки, м²; Δt_ср – средняя разность температур сушильного агента и окружающей среды, °С; К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К); W – количество испаряемой влаги, кг/с.

     Средняя разность температур сушильного агента и окружающей среды:

,

где Δt_б=t₁–t₀ – разность температур сушильного агента на входе в сушилку и окружающей среды, °С; Δt_м=t₂–t₀ – разность температур сушильного агента на выходе из сушилки и окружающей среды, °С.

    Примем  температуру воздуха в цехе t₀=15°С. Тогда Δt_б=109–15=94°С, Δt_м=60–15=45°С.

66,5°С.

     Коэффициент теплопередачи К определяют по формуле:

,

где α₁ – коэффициент теплопередачи [Вт/(м²·К)] от сушильного агента к стенке сушилки, – сумма всех термических сопротивлений слоев стенки, α₂ – коэффициент теплопередачи [Вт/(м²·К)] от наружной стенки барабана к окружающему воздуху.

     Коэффициент теплоотдачи от сушильного агента к  стенке сушилки можно определить по формуле Л. М. Федорова:

,

где k=1,2 1,3 – поправочный коэффициент, учитывающий турбулизацию потока; α₁^/ и α₂^// – коэффициенты теплоотдачи от сушильного агента к стенке барабана за счет вынужденной и естественной конвекции соответственно.

     Все параметры сушильного агента берут  при средней температуре его  в сушилке:

= °С.

     Объемный  расход влажного сушильного агента на выходе из барабана:

,

где x_ср – среднее содержание влаги в сушильном агенте, кг/кг сухого воздуха; V₀ – мольный объем, V₀=22,4 м³/кмоль; M_с.г. – мольная масса сухого газа; М_в – мольная масса воды.

      х_ср=0,5(х₁+х₂)=0,5(0,00095+0,01663)=0,00879 кг/кг сухого воздуха;

1,309 м³/с.

     Скорость  сушильного агента в барабане:

=1,309/[0,785·2,8²(1–0,18)]=0,42 м/с,

где β  – коэффициент заполнения барабана.

      Определяем  режим движения сушильного агента

      Re_f=wD_бρ/μ=0,42·2,8·0,987/(0,021·10^–3)=43428.

Здесь при t_f = 84,5°С плотность воздуха ρ = 0,987 кг/м³; вязкость μ = 0,021 мПа·с [8].

     Коэффициент теплоотдачи α₁^/ при турбулентном режиме (Re_f > 10⁴) определяют по формуле:

,

где ε₁ – поправочный коэффициент, зависящий от Re и отношения длины сушилки к ее диаметру (L_б/D_б).

      При L_б/D_б=22/2,8=7,86 и Re_f=43428 ε₁=1,183 [6].

Nu_f=0,018∙43428^0,81,183=109,3.

где λ  – коэффициент теплопроводности сушильного агента, Вт/(м·К).

     При t_f =84,5°С λ=0,0308 Вт/(м·К) [8].

α^/₁=109,3·0,0308/2,2=1,53 Вт/(м²·К).

     Значение  α₁^// можно найти из функции вида Nu_m=С(GrPr) . Здесь Pr=cν_cρ/λ, ν_c– кинематическая вязкость сушильного агента, м²/с; с – удельная теплоемкость сушильного агента, Дж/(кг·К); ρ – плотность сушильного агента, кг/м³; λ – коэффициент теплопроводности сушильного агента, Вт/(м·К). Значения константы С и показателя степени n определяются режимом движения сушильного агента. Их значения в зависимости от величины (GrРr)_m приведены в [6]. Все физические константы выбирают при средней температуре пограничного слоя t_сл=(t_f+t_ст)/2, где t_ст – температура стенки, °С.

      Задаемся t_ст1= 76,5°С. Тогда при t_сл= (84,5+76,5)/2 = 80,5°С по [8] определяем с = 1009 Дж/(кг·К); λ = 0,0304 Вт/(м·К); μ = 0,021 мПа·с; ρ = 0,998 кг/м³.

Pr=1009·0,021·10^–3/0,0304=0,697.

     Критерий  Грасгофа:

Δt=t_пот–t_ст – разность средней температуры потока и стенки, °С.

Gr=

;

(GrРr)_m=5,34·10⁹·0,697=3,72·10⁹– вихревой режим.

     Расчетное уравнение

     Nu_m=0,135(GrPr)

=0,135(3,72·10⁹)^1/3=208,3;

     α₁^//=208,3·0,0304/2,2=2,87 Вт/(м²·К).

     Принимаем k=1,25.

     α₁=1,25(1,53+2,87)=5,5 Вт/(м²·К).

     Коэффициент теплоотдачи от наружной стенки барабана в окружающую среду α₂ определяют по формуле:

      

, 

где α₂^/ – коэффициент теплоотдачи за счет естественной конвекции; α₂^// – коэффициент теплоотдачи за счет лучеиспускания.

      Для расчета тепловых потерь q_п предварительно определяют величину наружной поверхности барабана с учетом слоя изоляции. При определении необходимой толщины слоя изоляции принимают, слой изоляции толщиной δ₂ защищен кожухом из железа δ₃ (рис. 2). 

Рис 2. Схема  распределения температур

 

     Толщина стенки барабана δ₁= 14 мм. Без особой погрешности можно принять, что t_cт1=t_ст^/и t_ст^//=t_cт2, где t_cт1 и t_ст^/ – температура внутренней и наружной поверхностей стенки барабана, °С; t_ст^// и t_cт2 – температура внутренней и наружной поверхности стенки защитного кожуха.

     Для расчета используют формулы теплопроводности через цилиндрическую стенку. Удельный тепловой поток

=3,14·2,2·5,5(84,5–76,5)=303,952 Вт/м².

     Наружный  диаметр барабана D_н с изоляцией определяют из уравнения

,

где D_н – наружный диаметр барабана, м; =2,8+2·0,014=2,828 м; λ₂ – коэффициент теплопроводности изоляционного материала.