4. Конструкционный расчет котла непрерывного действия

● Определение коэффициентов теплоотдачи дымовых газов

Физические свойства дымовых газов при средней температуре дымовых газов рассчитаем по формуле 1:

(1)

Параметры дымовых газов при этой температуре: теплоемкость, плотность, кинематическая вязкость, коэффициент теплопроводности соответственно равны:

с'_1р = 1,2428 кДж/кгК

'₁ = 115,055 10^-6 м²/с

'₁ = 0,358 кг/м³

'₁ = 8,402 10^-2 Вт/мК

Рr'₁ = 0,6085

Количество тепла отдаваемого дымовыми газами рассчитаем по формуле 2:

(2)

Число Рейнольдса для потока газов рассчитаем по формуле (3)

2225,02 (3)

Найдем число Нуссельта и коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов к стенкам труб по формуле 4:

(4)

где

28,12

73,82

Учитываем результат загрязнения поверхности нагрева некоторым снижением коэффициента теплоотдачи рассчитаем по формуле 5:

59,06 (5)

Определяем коэффициент теплоотдачи излучением от потока газов к стенкам труб [19].

Значительной поглощательной и излучательной способностью обладают многоатомные газы CO₂, H₂O, SO₂, CH₄ и др. В отличие от твердых тел газы излучают и поглощают лучистую тепловую энергию не поверхностью, а всем объемом по всей толщине газового слоя. С увеличением толщины газового слоя излучение газов возрастает, а степень черноты повышается [22].

При подсчете количества тепла, передаваемого от газов к поверхности нагрева, необходимо учитывать то, что не вся энергия, излучаемая газом, доходит до поверхности. Часть энергии поглощается газовым объемом и тем больше, чем больше степень черноты газов.

Степень черноты дымовых газов при средней температуре газов , находим из графиков, которые находятся в приложении, рассчитаем по формуле 6:

(6)

Эффективная степень черноты оболочки газового объема вычисляются, исходя из известной степени черноты поверхности труб по формуле 7:

(7)

Для расчета поглощательной способности газов при температуре поверхности труб принимаем .

При этой температуре с помощью тех же графиков находим по формуле 8:

(8)

Плотность теплового потока, обусловленная излучением найдем по формуле 9:

(9)

Коэффициент теплоотдачи _л, обусловленный излучением найдем по формуле 10:

(10)

Суммарный коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенкам труб рассчитаем по формуле 11:

(11)

● Определение коэффициента теплоотдачи пара

Физические свойства пара при среднеарифметической температуре

₂ = 21,233 10^-6 Па с

₂ = 7,72 кг/м³

₂ = 4,715 10^-2 Вт/мК

Рr₂ = 1,005

Количество воспринимаемого паром тепла рассчитаем по формуле 12:

– производительность котла. (12)

Число Рейнольдса для потока пара

Число Нуссельта и коэффициент теплоотдачи от стенки к пару:

347,86

● Определение коэффициента теплопередачи

Коэффициент теплопередачи рассчитаем по формуле 13:

(13)

Определим необходимую чистую площадь сечения для прохождения дымовых газов по формуле 14:

(14)

Принимаем для прохождения дымовых газов n + 1 = 56 + 1 = 57 промежутков шириной s₃ = s₂ – d_н = 3 d_н – d_н = 2 d_н = 2 32=64 мм. Высота промежутка: а = f_газов/(57 s₃)= 1,013/(0,064 57) = 0,28 м.

● Расчет конструктивных и технологических параметров гипсоварочного котла непрерывного действия

При выборе гипсоварочного котла с вертикальным винтовым конвейером его производительность Р, кг/с, рассчитаем по формуле 15:

l φ ρ n (15)

где D – наружный диаметр винта, м (D = 0,4-0,5 м); d – внутренний диаметр вала винта, м (d = 0,12-0,15 м); l – шаг винта, м (l = 0,12-0,16 м); φ –коэффициент заполнения (φ = 0,5-0,8); ρ – насыпная плотность гипсового порошка с учетом уплотнения при транспортировании, кг/м3 (ρ = 1380 кг/м3); n – частота вращения винта конвейера, об/с (n = 2,5–3,2 об/с).

Мощность электродвигателя вертикального вала конвейера расходуется на подъем гипса, преодоление сопротивления трения гипса о лопасти и трубу, а также сопротивления в передачах.

Мощность, расходуемая на подъем гипсового порошка, N₁, Вт, рассчитаем по формуле 16:

(16)

● Методика расчета двухлопостной мешалки

Для расчета обычно задают: рабочий объем, диаметр D, высоту Н аппарата и его рабочие параметры (р – рабочее давление, t – температура); фазовое состояние перемешиваемой среды и ее физико-механические свойства (ρ – плотность, µ_с – динамическая вязкость), а также ее состав по жидкой или твердой фазе.

Расчет выполняют в следующем порядке.

В зависимости от назначения процесса перемешивания, вязкости среды (µ_с ) и ее фазового состояния выбирают тип перемешивающего устройства и его окружную скорость w (м/с).

Зная диаметр аппарата D, определяют диаметр мешалки d_м.

d_м = (0,66-0,9) D

d_м=0,7∙3,082=2,1 м;

Высота лопасти

b= (0,1-0,2) D

b=0,1∙3,082=0,3 м.

Высота уровня гипсового порошка в сосуде

Н = (0,8-1,3) D

Н=0,8∙3,02=2,4 м

Расстояние от импеллера мешалки до дна сосуда

К=0,3D

К=0,3∙3,02= 0,92

Определяют мощность (Вт), необходимую для перемешивания

, (1)

где Kn – критерий мощности, определяемый по графикам в зависимости от величины центробежного критерия Рейнольдса Re;

ρ – плотность перемешиваемой среды 1,38 кг/м³;

n – частота вращения мешалки, 33 об/с;

dм – диаметр мешалки, 2,1 м.

N_M=0,7∙1,38∙0,55∙2,1=1,115 Вт

Kn=0,7

(2)

R_e= =291,06

Смотрим лопастную мешалку:

Рисунок 13 – Зависимость критерия мощности Км от критерия Рейнольдса Re для мешалок нормализованных типов,

где µ_с – динамическая вязкость, Па∙с.

Рассчитывают номинальную мощность (Вт) на валу электродвигателя:

(3)

где N_э – мощность, затрачиваемая на трение в уплотнении, часто ею пренебрегают из-за малого значения;

η_п – КПД привода, определяемый в зависимости от конструкций последнего (для нормализованных приводов η_п =0,9–0,96).

N_э=

Лопастные мешалки. Площадь лобовой поверхности лопатки, вытесненной порции гипсового порошка, в общем случае определяется выражением:

, (4)

где b – длина (вылет) лопасти,1,05 м;

h – высота лопасти, 0,3 м;

b – угол наклона лопасти к направлению движения 90º.

Рисунок 14 – Схема горизонтальной лопастной мешалки.

F_л=1,05∙0,3∙sin90=0,315

Окружная скорость в м/с центра тяжести лопасти:

, (5)

где r₀ – расстояние от центра тяжести лопасти до оси вращения, м;

n – частота вращения мешалки, об/мин.

ω₀= =1,8 м/с

Масса гипсового порошка, вытесняемая лопастью:

(6)

G=0,315∙1,8∙1,38∙9,8=7,6 кг,

где ρ – плотность гипсового порошка.

Неподвижная лопасть приводится во вращение с заданной частотой и, сообщив при этом скорость гипсовому порошку w₀, совершает работу равную живой силе движущейся массы:

, (7)

где Т – работа, кгс∙м/с.

T= =1,26 кгс∙м/с

При одной и той же площади лобовой поверхности F_л лопасть совершает различную работу, которая зависит от отношения b/h , поэтому действительная работа в кгс∙м/с, затрачиваемая для приведения во вращение одной лопасти с частотой n об/мин:

, (8)

где φ – коэффициент, зависящий от формы лопасти, от соотношения b/h

b/h= =3,5→φ=1,19

T₁= =1,51 кгс∙

При работе вал мешалки испытывает, главным образом, кручение. Расчетный крутящий момент с учетом пусковых нагрузок определяется по формуле:

Т_кр=К_дN_м/ω (9)

где К_д – коэффициент динамичности нагрузки (для лопастных мешалок К_д=2);

N_м – мощность, потребляемая мешалкой на перемешивание, Вт;

ω=πn/30=3,14*33/30=3,354рад/с,

где ω – угловая скорость вала мешалки, рад/с;

n – частота вращения вала мешалки (33 об/мин);

Т_кр=2*1,9*103/3,354=1166,96 Н*м≈1,2 КН*м

Полярный момент сопротивления сечения вала в опасном сечении рассчитывается по формуле, м³:

W_р=πd₁³/16, (10)

где d₁ – диаметр участка вала под ступицу определяется исходя из типа и диаметра мешалки d_м, м.

W_р=3,14∙(80∙10^-3)³/16=100,48∙10^-6 Па

Прочность вала обеспечивается при выполнении условия прочности на кручение:

τ_кр=Т_кр/W_р ≤ [τ]_{кр ,} (11)

где τ_кр – максимальное напряжение в сечении вала, Па;

τ_кр=0,5[σ]=0,5∙113,4∙10⁶=56,7∙10⁶ Па=56,7 МПа

допускаемое напряжение на кручение, Па.

τ_кр=1166/(100,48∙10^-6)=11,6∙10⁶ Па=26,79 МПа < [τ]_кр=56,7 МПа

Расчет критической скорости.

Длина консоли вала, т.е. расстояние от нижнего подшипника до середины ступицы, м:

е₁=Н+h₀+h₁-h_{м ,} (12)

где Н – высота корпуса аппарата ( Н=3000мм);

h₀ – высота опоры (бобышки) для стойки в привода (h₀=60мм);

h₁ – расстояние от нижнего подшипника в приводе до опоры под привод на крышке корпуса аппарата (h₁=500мм), м;

h_м – расстояние от днища корпуса до середины ступицы мешалки, м.

е₁=(3000+60+500-540)∙10^-3=3020 мм=3,02 м

Правильность расчетной длины е₁ контролируется ее соответствием длине е₁ на эскизе компоновки аппарата.

Полная длина вала, м:

е=е₁+е_{2 ,} (13)

где е₂ – длина пролета, т.е. расстояние между подшипниками (е₂=800мм), м.

е=3,02+0,8=3,82 м

Сводная характеристика двухлопастной мешалки

Плотность перемешиваемой среды: 1,380 кг/м³;

Вязкость сыпучего материала: 1,2 Па∙с;

Диаметр мешалки: 2,1 м;

Ширина лопасти мешалки: 0,3 м;

Расстояние от импеллера мешалки до дна сосуда: 0,92 м;

Частота вращения мешалки, об/с 33;

Угол наклона лопасти к направлению движения: 90º;

Окружная скорость в м/с центра тяжести лопасти: 1,8 м/с;

Масса жидкости, вытесняемая лопастью: 7,6 кг;

Форма лопастей - горизонтальные прямоугольные лопасти

Мощность, потребляемая мешалкой в пусковой период: 0,3238∙10^-4 кВт;

Угловая скорость вала мешалки: 3,354 рад/с;

Винтовой конвейер

Винтовой конвейер (рисунок 15) состоит из винта, желоба с крышкой, загрузочного и разгрузочного патрубков и привода.

Транспортируемый материал, поступающий в машину через загрузочный патрубок, перемещается вращающимся винтом по дну желоба к выгрузочному патрубку.

Рисунок 15 – Винтовой конвейер.

● Расчет винтового конвейера

Рассчитаем производительности винтового конвейера (кг/с) по формуле:

Q=V∙φ∙n∙ρ, (1)

где V – объем массы, необходимой для заполнения одного витка конвейера, м³;

φ – коэффициент заполнения, φ=0,8;

n – частота вращения винта конвейера, n=3 об/с;

ρ – плотность гипсового порошка с учетом уплотнения при транспортировании ρ=1380 кг/м³

V=S∙l₁ (2)

V=0,1123∙0,14=0,015м³,

где S – полезное сечение витка винта конвейера, м²;

l₁- шаг витка, l₁=0,14 м.;

S=π(D²-d²)/4, (3)

где D – наружный диаметр винта, D=0,4 м;

d – внутренний диаметр, d=0,13м.

Подставляем промежуточные выражения в формулу, получим:

Q= π(D²-d²)/4∙l∙φ∙ρ∙n (4)

Q=3,14(0,4²-0,13²)/4∙0,14∙0,8∙1,380∙180=1980кг/мин

Мощность электродвигателя N вертикального вала конвейера расходуется на подъем гипса , преодоление сопротивлений трения гипса о лопасти и трубу, а также сопротивления в передачах.

Мощность (Вт), расходуемая на подъем гипсового порошка:

,

N_i=26 Вт

где G – вес гипсового порошка, перемещаемого за время t;

Н – высота подъема гипса, м.

Мощность , расходуемая на преодоления сопротивления трения гипсового порошка о стенки трубы, определяют, исходя из следующих соображений. При вращении винта под действием центробежных сил гипсовый порошок прижимается к внутренней поверхности трубы с силой (Н)

P=m∙ω²∙R_ср (5)

M=V∙φ∙ρ/g , (6)

где m – масса порошка, находящегося в трубе, кг;

ω – угловая скорость, рад/с ω-60 об/мин;

R_ср – средний радиус винта, м; R_ср=0,2;

g – ускорение силы тяжести, м/c².

M=0,015∙0,8∙1380/9,8=0,1689 кг.

P=0,1689∙(60)²∙0,2=121,6 Н

Сила трения (Н), препятствующая подъему гипсового порошка:

T=P∙f₁ , (7)

где f₁ – коэффициент трения сырого гипсового порошка о трубу, f₁=0,25

T=121,6∙0,25=30,4 Н

Исходя из вышесказанного, мощность (Вт), расходуемая на преодоление сопротивления трения гипса о лопасти:

(8)

● Сводные параметры винтового конвейера:

Скорости вращения винта: 60 об/мин;

Тип винта: сплошной;

Желоб конвейера изготовлен из листовой стали толщиной – 8 мм;

Между стенкой желоба и винтом имеется зазор 10 мм;

Объем массы, необходимой для заполнения одного витка конвейера: 0,015 м³;

Шаг витка: 0,14;

Коэффициент трения сырого гипсового порошка о трубу: 0,25

● Котел непрерывного действия

Техническая характеристика:

1. Условное обозначение котла СМА-158

2. Производительность, т/ч 13,2;

3. Частота вращения мешалки, об/мин 33;

4. Температура варки, °С 120-175;

5. Установленная мощность, кВт 22,0;

6. Габаритные размеры, м:

Ширина между кладкой кирпича и телом котла: 0,455;

ширина котла с кирпичной рубашкой: 4,7;

Диаметр котла: 3,082;

Диаметр подтопка: 2,4;

Общая высота котла вместе с подтопком: 5,820;

Высота котла без подтопка: 3,520.

7. Масса без обмуровки, т 19,6;

8. Корпуса современных варочных котлов, независимо от способа варки изготавливаются сварными из листовой двухслойной стали. Наружный слой - котельная сталь марки 20К.