1.3 Теплотехнические расчеты

1.3.1 Расчет горения топлива

Для сушки заполнителя в барабанной сушилке в качестве теплоносителя используются природный газ. Топливом служит природный газ. Для определения температуры сгорания газа и количества теплоносителя необходимого для сушки заполнителя на начальном этапе необходимо провести расчет горения топлива.

Согласно данным примерный состав газа характеризуется следующими показателями приведенными в таблице 1,20.

Таблица 1.20

Состав попутного газа

Содержание газа, %							Qсн, кДж/м3
CO2	CH4	C2H6	C3H8	C4H10	C5+B	N2
0,1	93	3	0,7	0,47	0,13	2,5	36710

Расчет ведем на 1м³ газа.

Количество воздуха требуемого для полного сгорания топлива, определяем по теоретическому количеству кислорода вступающего в реакцию окисления, с некоторым его избытком. При этом учитываем, что кислород, содержащийся в составе топлива, участвует в реакциях горения.

Принимая во внимание, что массовая доля кислорода в воздухе составляет 0,232, теоретическое количество воздуха для горения 1м³ газа определяем по формуле

V = 0.0476 [0,5СО + 0,5Н₂ + 2СН₄ + 1,5H₂S + (m+n/4 )С_mН_n – O₂] (1.20)

где: СО, Н₂, СН₄, H₂S, С_mН_n, O₂-объемные концентрации газов в топливе, %;

m и n - соответственно количество углерода и водорода в углеводороде.

V = 0,0476[0,50,1 +0,52,5+293 +1,53 + (3+8/4) + (4+10/4)0,47] = 0,0476 (0,05 +1,25 + 186 + 4,5+3,5 + 3,055) = 9,442м³

В реальных условиях воздух для горения топлива необходимо подать в большем объеме по сравнению к теоретически необходимому.

Vд =  Vо (1.21)

где: - коэффициент избытка воздуха, показывающий отношение действительного количества воздуха, подаваемого в горелку, к теоретически необходимому.

Для газообразного топлива  принимаем в пределах 1,05-1,2. Конкретно принимаем = 1,15, тогда

Vд = 1,15 9,442 = 10,86 м³

Так как в составе воздуха всегда содержаться водяные пары, то окончательная формула по определению действительного количества воздуха необходимого для горения топлива имеет вид:

Vд ' = (1 + 0,0016d) Vд (1.22)

где d - влагосодержание воздуха, г/кг сухого воздуха.

Для климатических условий г. Уральск по i-d диаграмме определяем d, она равна 5.

Тогда

Vд ' = (1 + 0,00165)  10,86 = 10,95 м³

На втором этапе при выполнении расчета горения топлива определяем объем продуктов сгорания

Vг = V_RO2 + V_N2° + V_H2O° = 1,061-Vo(-l) (1.23)

где: V_RO2- объем трехатомных газов;

V_N2°- образующегося азота;

V_H2O° - объем водяных паров

Объем тpexaтомныx газов определяем по формуле:

V_RO2 = 0,01 (СО₂ + СО + H₂S + С_mН_n) (1.24)

Подставив численные значения газов, получим

V_RO2 = 0,01 (0,1 + 23 + 30,7 H₂S +40,47) = 0,1008м³

Объем окиси азота определяем по формуле

V_N2° = 0,799,442 + 0,8 (2,5:100)= 10,252 м³ (1.25)

Объем водяных паров определяем по формуле

V_H2O°= 0,01 [H₂S + Н₂ + 2СН₄+ 0,124d + С_mН_n /2] (1.26)

Отсюда

V_H2O°=0,01 [293 + 0,1246 + 6(3:2) + 8(0,7:2) +10(0,47 :2)]=2,0089 м³

Общий объем продуктов сгорания будет равен

Vг = 0,1008 + 7,6593 + 2,0089 + 1,0619,442(1,11)=21,77 м³

Заключительным этапом расчета горения топлива является определение действительной температуры продуктов сгорания газа.

Для этого вначале определяем теоретическую температуру продуктов сгорания газа по формуле

t_T = Q_н^р   / Vг  с_г (1.27)

где: Vг и с_г - соответственно объем и теплоемкость горения;

 - коэффициент тепловыделения.

 = [100- (q_х+q_ф)]/ 100 + (Jт+ Jв)/ Q_н^р (1.28)

где: q_х - потери тепла от химического недожога, включая диссоциацию газов, %;

q_ф - потери тепла от физического недожога, %;

Jт, Jв - соответственно теплосодержание топлива и воздуха.

Находим численное значение коэффициента тепловыделения

 = (100- (1 + 1 )]/100 + (1,311,65520 + 1,2051,302-20)/36710 = 0,982

Теоретическая температура продуктов сгорания газа составит

t_т = 36710  0,982 / 21,77  1,546 = 1071,1 С

Действительную определяем температуру продуктов сгорания газа по формуле

t_д = _п . t_т (1.29)

где _п - пирометрический коэффициент процесса горения, учитывающий потери тепла при горении топлива в процессе теплообмена от газов и факела на окружающие их поверхности. Для вращающейся сушилки значение _п равно 0,7.

С учетом значения _п действительная температура продуктов горения составляет

t_д = 0,7 2161 = 1512,7°С

Значение температуры теплоносителя при сушке песка рекомендуется принимать в пределах 800-1000°С.

Принимаем температуру теплоносителя равной 1000°С и по i-d диаграмме находим количество воздуха, требуемое для смешения с продуктами сгорания газа с тем, чтобы получить теплоноситель с требуемой температурой.

Для получения 1 м³ теплоносителя требуется смешать 0,67м³ продуктов сгорания газа с 0,33 м³ воздуха.

4.2 Определение основных размеров барабанной сушилки, производительность, количество требуемых установок

Суточная потребность в сухом песке для проектируемого завода составляет 23,1т. Завод работает в одну смену при продолжительности рабочего дня 8ч. Следовательно, часовая производительность сушильной установки по сухому заполнителю должна составлять 3,2т.

Основным показателем сушильных барабанов является объемное напряжение по влаге, т.е. количество влаги, испаряемое в 1м³ объема сушильного пространства за 1 ч. Этот показатель зависит от характера материала, его влажности, параметров режима сушки. При сушке песка, согласно данным, объемное напряжение не должно превышать 80-100кг/ м³ч.

Руководствуясь методикой определяем производительность сушилки по количеству удаляемой влаги (Wr), которая тесно связана с величиной напряжения по влаге (m_о).

Wr = m_о  V (1.30)

где V  - объем сушильного пространства.

Отсюда определяем рабочий объем барабанной сушилки

V = Wr: m_ =320:100 = 3,2 м³ (1.31)

Так как исходная влажность песка составляет не более 10%, то количество влаги удаляемой за час работы сушилки составит

0,13200 = 321кг, т.е. Wr = 321кг.

Чтобы определить габариты барабана задаемся отношением длины барабана к его диаметру, который согласно рекомендациям находится в пределах 3,5-9. Принимаем отношение L/D = 4. Тогда диаметр барабана определиться из соотношения

 D²

V =   L (1.32)

4

Подставив значение соотношения L/D и численное значение объема барабана, получим

 D²

V =   4 D =  D² (1.33)

4

Отсюда

D = ³ (V) = ³ (3,14 3,2)  2,15м. (1.34)

Следовательно

L = 42,15 = 8,6м

Принимая во внимание расчетные размеры барабана, принимаем для сушки песка стандартную барабанную сушилку со следующими рабочими размерами барабана:

D = 2,2м, L = 8,8м.

Следующим этапом расчета является определение продолжительности сушки материала в барабане. В соответствии с рекомендациями продолжительность сушки может быть определена по упрощенной формуле:

' _н (₁+₂)

=  (1.35)

m_о[200- (₁+₂)]

где: '- коэффициент заполнения материалом барабана, принимаем равной 0,2;

_н - насыпная масса высушиваемого материала, равна 1500кг/м³;

₁,₂- соответственно начальная и конечная влажность материала, принимаем ₁=10%, ₂= 0%.

Oтcюда

0,21500(10+ 1)

=  = 0,218ч, (1.36)

80 [200- (10+1)]

Тепловой расчет барабанной сушилки

Целью теплового расчета является определение расходов продуктов сгорания газа, воздуха и тепла на 1 кг испаряемой влаги. Эти данные являются основой для определения затрат тепла и соответственно топлива на технологические нужды завода.

Для определения расходов теплоносителя и тепла в i-d диаграмме строится вначале теоретический, а затем на его основе действительный процесс сушки. При построении теоретического процесса сушки исходят из условия, что все затраченное тепло идет на испарение влаги. В реальной сушилке, в частности в барабанной, необходимо учитывать затраты тепла идущие на нагрев материала, поступающего в установку и потери тепла поверхностью сушилки в окружающую среду. Эти затраты тепла учитывают при построении действительного процесса сушки и в результате находят суммарный расход тепла и теплоносителя на 1 кг испаренной влаги.

Расход тепла на нагрев песка определяем по формуле:

Q_м=q_ч  С_м'  (t_к - t_и) / W_ч, (1.37)

где q_ч - часовая производительность сушилки по массе высушенного в ней материала,

С_м'- теплоемкость материала с остаточной влажностью ₂;

t_к, t_и - соответственно температуры материала в конце и в начале сушилки.

Теплоемкость материала с остаточной влажностью ₂ определяем по формуле:

С_м'= С_м (1- ₂/100) + С_в  ₂/ 100 (1.38)

где: С_м - теплоемкость сухого материала,

С_в - теплоемкость воды.

Подставив численные значения С_м, С_в и ₂ получим значение С_м'

С_м' = 0,84 (1 - 10/100) + 4,19 10/1 00 = 1, 1 75кДж/кгС

Определяем расход тепла на нагрев материала Q_м = 3200 1,175  (100 - 15) / 320 = 998,75 кДж/кг, испаренной влаги (1.39)

Потери тепла в окружающую среду через поверхность барабанной сушилки определяют по формуле:

Q_ос=3,6  F  _сум  (t_к – t_н) / W_ч, (1.40)

где: F- площадь наружной поверхности сушилки;

_сум - суммарный коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности сушилки в окружающую cpeдy;

t_к, t_н - соответственно температуры наружной стенки сушилки и окружающего воздуха.

Для определения потери тепла в окружающую среду необходимо вначале выбрать материал для теплоизоляции стенки барабана и рассчитать требуемую толщину теплоизоляционного слоя.

Поскольку температура подаваемого в сушилку теплоносителя составляет 1000C, то соответственно металлический каркас барабана будет нагреваться до достаточно высокой температуры. Так как с одной стороны в барабан поступает влажный песок с температурой 15-20C, а с другой – внутри сушилки идет испарение влаги, которое сопровождается поглощением тепла, то ориентировочно можно принять в среднем температуру внутренней стенки барабана равной 600С. Для изоляции поверхности с такой температурой можно использовать минвату со следующими техническими характеристиками :

- средняя плотность 100 кг/м³;

- коэффициент теплоемкости 0,88 кДж/м CC;

- коэффициент теплопроводности 0,065+3510^-5t;

- предельная рабочая температура применения 700C.

При температуре 600C коэффициент теплопроводности шлаковаты составит:

 = 0,065+3510^-5600 0,066 Вт/мC

Принимаем температуру наружного воздуха в среднем 15°С, а температуру наружной поверхности изоляции + 35°С.

Плотность теплового потока через 1 м² площади поверхности барабанной сушилки определяется по формуле

1

q = к  (t₁ - t₄) =   (t₁ - t₄) (1.41)

_ст  _из 1

 +  + 

 _ст  _ст ₂

где: к - коэффициент теплопередачи;

₂ - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности сушилки в окружающую среду.

Так как тепловые потоки проходящие через каждый слой стенки равны, то получим:

 _ст  _из

q =   (t₁ – t₂) =   (t₂ – t₃) = ₂ (t₃ – t₄) (1.42)

_ст  _из

Отсюда

q = ₂ (t₃ – t₄) = 10,45 (35-15) = 209 Вт/м² (1.43)

Так как для металла t₂ практически равен t₁,

 _из (t₂ – t₃) 0,066(600-35)

 =  =  = 0,178м (1.44)

q 209

Принимаем толщину теплоизоляционной шлаковаты равной 20см, т.е. стандартной толщины.

Площадь поверхности барабанной сушилки определяют по формуле

F =   D_  L_= 3,14  2,2  8,8 = 60,79м² (1.45)

Тогда потери тепла в окружающую среду составят

Q_oc = 3,6  60,79  10,45 (35-15) /320 = 142,93 кДж/кг испаренной влаги

Суммарный расход тепла (не прямые затраты) на l кг испаренной влаги составит

Q_сум = Q_м + Q_oc = 998,75 + 142,93 = 1141,68 кДж/кг испаренной влаги (1.46)

Следующим этапом теплового расчета является построение теоретического и практического процесса сушки в i-d диаграмме для высоких температур.

Ввиду сложности рисунка он в пояснительной записке не представлен. Построение проводили непосредственно на схеме с i-d диаграммой.

Расход сушильного агента с соответствующими заданными параметрами определяется по формуле

l_см = I00/(d₁ - d₂) = 1000/ DСM_d (1.47)

где: d₁ - влагосодержание газовоздушной смеси;

d₂ - влагосодержание отработанного теплоносителя;

M_d - масштаб влагосодержания;

DС - отрезок полученной на i-d диаграмме, показывающий изменение влагосодержания теплоносителя.

l_см = 1000/ (280-80) = 5кг/кг испаренной влаги (1.48)

Расход тепла на испарение 1 кг влаги определяют по формуле

q =1000  АВ  M_j / CD  M_d (1.49)

где АВ - отрезок, показывающий изменение теплового состояния теплоносителя;

M_j - масштаб энтальпии.

Подставив численные значения искомых величин, получим

q =1000  150  10,45 / 80 2,5 = 7837,5 кДж/кг испаренной влаги (1.50)

На практике необходимо знать количество тепла и теплоносителя расходуемого для высушивания единицы продукции, в частности для нашего завода, на 1 т песка. С учетом влажности песка равной 10% расходы на 1 т сухого песка составят:

- теплоносителя =500кг;.

- тепла=783750 кДж

Полученные расчетные данные сводим в таблицу 1.22