teplotekhnicheska_chast2

РАЗДЕЛ 5

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКАЯ

ЧАСТЬ

Завод керамической напольной плитки производительностью 6 млн. м²в год в Московской области , дер.Горюшка

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Разработал

Ярин Г.С.

Теплотехническая часть

Лит.

Лист

Листов

Проверил

Соков В.Н.

А

1

12

Т. Контр.

Н. Контр.

МГСУ

СТ-V-2

Утвердил

Орлова А.М.

5.1. Описание установки

К тепловым установкам, включенным в технологическую схему производства, относится распылительная сушилка, конвейерная роликовая сушилка и конвейерная роликовая печь. Теплотехнический расчет будем производить по распылительной сушилке.

Конструкция распылительной сушилки

7

Рис.5.1. Схема распылительной сушилки

1. - распылительные форсунки

2. - металлический корпус

3. - конусное днище

4. - шликеропровод

5. - трубопровод отбора продуктов горения

6. - циклон

7. - вентилятор

8. - мешалка для выгрузки пресс-порошка из циклона

9. - челюстной затвор для выгрузки продукции

10. - конвейер отбора готовой продукции

11. - газовые горелки

Цилиндрическую башню 2 распылительной сушилки НИИСтройкерамики

Теплотехническая часть

Лист

2

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

оснащенную газовыми горелками 11, собирают из полых металлических панелей, заполненных минеральной ватой. Внутренняя обкладка башни, выполнена из жаростойкой камеры, заканчивается конусным днищем 3, которое снабжено челюстным затвором 9 для выгрузки готовой продукции. В конусное днище вмонтированы патрубок 5, для отбора отработанного сушильного агента, и шликеропровод 4, для нагнетания шликера. Сушилка оснащена циклоном 6 для очистки отработанного сушильного агента от уноса порошка, циклон снабжен затвором мешалкой 8 для выгрузки осажденного порошка. Готовая продукция идет на конвейер 11.

В сушилку под давлением 1-1,5 МПа механическими форсунками подается шликер, который и распыляется в пространстве камеры. За счет сжигания газа в сушилке достигается высокая температура (700-800 °С), а за счет распыла -турбулизация потока. Происходит быстрое испарение влаги, и отработанный сушильный агент поступает через патрубок 5 к циклону. Высушенный глиняный порошок падает на днище и через челюстной затвор выгружается на конвейер. Отработанный сушильный агент очищается в циклоне от уноса глиняного порошка и с температурой порядка 150 °С выбрасывается в атмосферу. Осажденный в циклоне порошок через затвор - мешалку также выгружается на конвейер готовой продукции.

Расчет распылительной сушилки для сушки керамического шликера.

Задание: рассчитать распылительную сушилку для керамического завода производительностью П_г = 6 000 000 м² / год.

Итого: 171666667 шт. в год.

Исходные данные:

Относительная влажность шликера, поступающего в распылительную сушилку, W_ш = 50 %;

Относительная влажность порошка, выгружаемого из распылительной сушилки, W_п = 6 %;

Температура шликера, поступающего в распылительную сушилку, t_ш’– 20 ⁰С;

Температура порошка, выгружаемого из распылительной сушилки, t_п^”– 70 ⁰С;

Унос порошка с отработанными газами, выбрасываемого из распылительной сушилки,

g_ун = 1 %;

Число смен в сутки N_см = 3;

Число эксплуатационных часов в смену τ_см = 8 ч;

в сутки τ_ст = 24 ч;

Число рабочих дней в неделю N_д.н. = 7 дней;

Теплотехническая часть

Лист

3

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Число рабочих недель в году N_н.г. = 52 недели;

Коэффициент использования эксплуатационного времени (учитывающий внутренние простои) К_э:в = 0,95;

Потери при прокаливании керамической шихты п.п.п. = 7 %;

Топливо - природный газ.

Температура отработанного теплоносителя t₂ = 80 ⁰С;

Температура наружного воздуха t₀ = - 10 ⁰С;

Относительная влажность наружного воздуха φ₀ = 60%;

Влагосодержание наружного воздуха d₀ = 5 г на 1 кг сухого воздуха.

5.1. Расчет материального баланса процесса сушки.

Часовая производительность завода:

П_ч = П_г / N_н.г.* N_д.н.* τ_ст * К_э.в = 171666667 / 52 х 7 х 24 х 0,95 = 20684,724шт / ч;

Часовое количество по массе:

обожженной продукции:

G_ч = П’_ч* V_к.м.* γ_ч (1 – К_п / 100) = 20684,724 х 0,0002475 х 2180 (1-3 / 100) = 10825,63кг / ч;

абсолютно сухого сырца:

G’_ч = G_ч / 1 – п.п.п. / 100 = 10825,63/ 1- 7 / 100 = 19400,77 кг / ч;

абсолютно сухого материала, поступающего в распылительную сушилку с учетом уносов: G’_ч = G’_ч / 1 - g_ун / 100 = 28630,26 / 1- 1 / 100 = 19596,74 кг / ч;

порошка, подлежащего получению из распылительной сушилки:

G_п = G’_ч / 1 – W_п / 100 = 28919,46 / 1- 6 / 100 = 20847,59 кг / ч;

порошка, подлежащего сушке с учетом уносов:

G’_ч = G_п/ 1 - g_ун / 100 = 30765,38 / 1- 1 / 100 = 21058,18 кг / ч;

шликера, подлежащего сушке в распылительной сушилке:

G_ш= G’_ч/ (1 – W_ш/ 100) * (1 - g_ун / 100) = 19400,77 / (1 – 50 / 100)*(1–1/100) = 39193,47 кг/ч;

испаряемой влаги: ∆G_w = G_ш – G’_п = 39193,47 – 21058,18 = 18135,3 кг / ч.

Материальный баланс процесса сушки.

Таблица 5.1.

Теплотехническая часть

Лист

4

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

5.2. Подбор сушилок и определение их количества

Требуемый рабочий объем сушильных камер V_тр определяют по формуле:

V_тр = ∆G_w/R_wv;

где: R_wv – объемное напряжение сушилки по испаряемой влаге, (кг/м³ ч).

К установке принимаем сушилки с общим объемом сушильной башни 550 м³, производительность по испаряемой влаге 25 т/ч, что соответствует объемному напряжению

R_wv = 25000 / 550 = 45,45 кг/м³ ч.

Указанное напряжение принимаем в качестве расчетного. Тогда

V_тр = 18135,3/ 45,45 = 5240,32/8=399 м³.

Принимаем к установке распылительную сушилку НИИСтройкерамики 587. Резерв ее рабочего объема составляет 550 – 399 / 399 х 100 % = 37,84 %

5.3. Расчет горения топлива

В качестве топлива используется природный газ. Состав смеси природных горючих газов, %: СО₂ – 0,27; СН₄ – 94,23; С₂Н₆ – 3,12; С₃Н₈ – 0,89; С₄Н₁₀ – 0,49; N₂ – 1. Теплота сгорания 37330 кДж. α – 1.

Коэффициент избытка воздуха α рассчитывается из условия, чтобы действительная температура в топке обеспечивала достаточную стойкость ее футеровки. t_п = 1200 ⁰С.

Требуемая калориметрическая температура горения газа (t_к) составляет:

t_к = t_п / η_пир, где: η_пир- пирометрический коэффициент процесса горения, 0,9.

t_к = 1200 / 0,9 ⁰С.

Расчетный коэффициент избытка воздуха определяют из уравнения теплового баланса процесса горения 1 м³ газа

Q_н + С_т t_т + V ⁰_в α С_в t_в = V⁰_д α С_д t_к, откуда

α = Q_н + С_т t_т / V⁰_д С_д t_к - V ⁰_в С_в t_в ,

где: С_т – объемная теплоемкость топлива, 1,673 кДж/м^{3 0}С;

t_т – температура топлива, 20 ⁰С;

V⁰_д – теоретическое количество продукции горения,10,98 м³/м³;

t_к – калориметрическая температура продуктов горения, 1335 ⁰С;

V ⁰_в – теоретический расход воздуха на горение топлива, 9,95 м³/м³;

С_в – объемная теплоемкость воздуха, 1,34 кДж/м^{3 0}С;

t_в – температура воздуха, поступающего на горение топлива, - 10 ⁰С;

С_д – объемная теплоемкость продуктов горения.

Теплотехническая часть

Лист

5

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

С_д = μсо₂ Ссо₂ + μн₂о Сн₂о + μ_N2 С_N2 ,

где μ и С – соответственно порциальные количества газовых компонентов в долях единицы и их теплоемкости.

μсо₂ = 0,096; μн₂о = 0,1935; μ_N2 = 0,7105.

По справочным данным при t = 1335 ⁰С

Ссо₂ = 2,3104;

Сн₂о = 1,8126;

С_N2 = 1,4305 кДж/м^{3 0}С.

С_д = 0,096 * 2,3104 + 0,1935 * 1,8126 + 0,7105 * 1,4305 = 1,587 кДж/м^{3 0}С

α = 37330 + 1,673 * 20 / 10,98 * 1,587 * 1335 – 9,94 * 1,34 * (-10) = 1,6

Расчет при α = 1, .

μсо₂ = 0,062; μн₂о = 0,127; μ_О2 = 0,074; μ_N2 = 0,737;

Ссо₂ = 2,3104;

Сн₂о = 1,8126;

С_О2 = 1,515 кДж/м^{3 0}С;

С_N2 = 1,4305 кДж/м^{3 0}С.

С_д= 0,062*2,3104 + 0,127*1,8126 + 0,074*1,515 + 0,737*1,4305 = 1,536 кДж/м^{3 0}С

Проверим калориметрическую температуру, которая получается при прокорректированном составе дымовых газов:

t_к = Q_н + C_т t_т + V_в C_в t_в / V_д C_д ,

t_к = 37330 + 1,673 * 20 + 15,94 * 1,34 * (- 10) / 16,974 * 1,536 = 1425 ⁰С

Подсчитываем калориметрическую температуру при α = 1,7:

t_к = 37330 + 1,673 * 20 + 16,9 * 1,34 * (- 10) / 17,93 * 1,536 = 1345 ⁰С

Сходимость результатов удовлетворительная: невязка температур составляет 0,75 %.

Из расчета горения находим влагосодерхание продуктов горения следующим образом:

масса водяных паров в продуктах горения

G_Н2О = 217,33 * 0,805 = 175 кг;

масса сухих газов в продуктах горения

С_сд = 105,37 * 1,997 + 145 * 1,43 + 1325 * 1,25 = 2075 кг;

влагосодержание продуктов горения

d_i = 175 * 1000 / 2075 = 84 г на 1 кг сухих газов.

Теплотехническая часть

Лист

6

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

5.4. Расчет удельных расходов теплоты

Расчет ведем графоаналитическим методом с использованием I—d – диаграммы влажного воздуха.

а). Подсчет потерь теплоты практического процесса сушки.

На нагрев сухой массы материала

q_п1 = G_c C_c (t”_п – t’_ш) / ∆G_w ,

где G_c – часовое количество абсолютно сухого материала, 19596,74 кг / ч;

C_c – теплоемкость по массе абсолютно сухой глины, по справочным данным равная 0,922 кДж/м^{3 0}С;

∆G_w – часовое количество испаренной влаги, 18135,3 кг / ч;

t’_ш и t”_п – соответственно температура шликера, постепающего в сушилку, и порошка, выгружаемого из сушилки, (t’_ш = 20 ⁰С и t”_п = 70 ⁰С).

q_п1 = 19596,74 * 0,9222 (70 - 20) / 18135,3 = 49,83 кДж на 1 кг влаги,

На подогрев остаточной влаги

q_п2 = G”_w (t”_п – t’_ш) / ∆G_w ,

где G”_w – масса остаточной влаги.

q_п2 =1446,81 * (70 - 20)/18135,3 = 3,99 кДж на 1 кг влаги.

Тепловой поток через плоскую часть перекрытия сушилки, представляющую собой оребренные панели, выполненные из листовой стали толщиной δ₁= 6 мм с изоляционным слоем минеральной ваты толщиной δ₂ = 300 мм. Площадь перекрытия составляет:

F = π D² / 4 = 3.14 * 9,2² / 4 = 67 м².

Коэффициент теплопередачи принят: от внутренней среды к поверхности ограждения α₁ = 23,2 Вт / (м^{2 0}С); от наружной поверхности ограждения в окружающую среду α₂ = 17,4 Вт / (м^{2 0}С).

Теплопроводность принимаем по справочным данным: стали λ₁ = 58 Вт / (м ⁰С); ваты λ₂ = 0,08 Вт / (м ⁰С).

Коэффициент общей теплопередачи

К₁ = 1 / (1 / α₁ + δ₁ / λ₁ + δ₂ / λ₂ + δ₃ / λ₃ +1 / α₂) = 1 / (1 / 23,2 + 0,06 / 58 + 0,3 / 0,08 + 0,006 / 58 + 1 / 17,4) = 0,283 Вт / (м^{2 0}С).

Температура теплоносителя под перекрытием составляет по опытным данным t_вн = 200 ⁰С, а температуру наружного воздуха принимаем t_н = - 10 ⁰С. Тогда тепловой поток через перекрытие составит Ф₁ = 0,283 * 67 * (200 + 10) = 3990 Вт

Тепловой поток через ребра перекрытия. Суммарная длина ребер 120 м, их толщина 8 мм и средняя высота δ = 0,3 м.

Теплотехническая часть

Лист

7

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Суммарная площадь поверхности в направлении теплового потока

F = 0,008 * 120 = 0,96 м².

Тепловой поток через ребра

Ф₂ = F λ / δ (t_вн - t_н) = 0,96 * 58 / 0,3 (200 + 10) = 39100 Вт.

Тепловой поток через гладкую поверхность цилиндрической части ограждения конструкции. Цилиндрическое ограждение собрано из панелей, состоящих из листовой стали с изоляцией минераловатным слоем толщиной δ = 0,2 м.

Площадь боковой поверхности цилиндрической части

F = π D Н = 3,14 * 9,8 * 8 = 246 м².

Коэффициент общей теплопередачи

К₃ = 1 / (1 / 23,2 + 0,2 / 0,08 + 1 / 17,4) = 0,388 Вт / (м^{2 0}С).

Средняя температура внутри цилиндрической части сушилки составляет по опытным данным t_вн = 160 ⁰С. Тогда тепловой поток через гладкие поверхности цилиндрической части составляет

Ф₃ = 246 * 0,388 (160 + 10) = 16200 Вт.

Тепловой поток через ребра цилиндрической части. Суммарная длина редер 216 м, средняя толщина 0,012 * 0,5 = 0,006 м; высота их δ = 0,2 м.

Площадь поверхности ребер в направлении теплового потока

F = 216 * 0,006 = 1,3.

Тепловой поток

Ф₄ = 1,3 * 58 / 0,2 (160 + 10) = 64200 Вт.

Тепловой поток через конусную часть ограждения. Конусная часть сварена из стальных листов толщиной δ = 2 мм; изоляции не имеет.

Площадь поверхности конусной части

F = π D / 2 √ h² + D² / 4 = 3,14 * 9,2 / √ 8² + 9,2² / 4 = 116 м².

Коэффициент общей теплопередачи

К₅ = 1 / (1 / 23,2 + 0,002 / 58 + 1 / 17,4) = 9,9 Вт / (м^{2 0}С).

При расчете теплового потока принимаем температуру внутри конусной части сушилки t_вн = 80 ⁰С. Конусная часть сушилки находится в закрытом помещении с температурой t_н = 20 ⁰С. Тогда тепловой поток составляет

Ф₄ = 116 * 9,9 / 0,2 (80 - 20) = 6900 Вт.

Суммарный тепловой поток в окружающую среду

Ф = 3990 + 39100 + 16200 + 64200 + 69000 = 192290 Вт или 192290 * 3,61 = 695000 кДж/ч.

Теплотехническая часть

Лист

8

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Потери теплоты в окружающую среду, отнесенные к 1 кг испаренной влаги:

q_п3 = 695000 / 18135,3 = 38,32кДж.

Сумма учтенных тепловых потерь на 1 кг влаги составляет

49,25 + 3,37 + 38,32 = 90,94 кДж.

Неучтенные потери принимаем равными 10%, что составляет с округлением на 1 кг влаги q_п4 = 0,1 * 90,94 = 9,09 кДж.

Суммарные потери теплоты на 1 кг испаренной влаги составляет

_г

∆ = Σ q_п = 90,94 + 9,09 = 100,03 кДж.

^а

б). Построение процесса сушки в I-d диаграмме.

На I-d диаграмме отмечаем точку В, соответствующую начальной температуре теплоносителя t₁ = 1200 ⁰С и влагосодержанию d₁ = 84 г на 1 кг сухих газов. Из точки В проводим вниз адиабатный луч и луч, параллельный линиям постоянных влагосодержаний. На адаибатном луче отмечаем произвольно точку е и из нее опускаем перпендикуляр на луч, параллельный линиям d = const. Образовавшуюся точку пересечения обозначаем буквой f.

еЕ = ∆ е f / m ;

m = М_i / М_d * 1000 = 2,1 / 1 * 1000 = 2100;

еЕ = 260 * 292 / 2100 = 36,15 мм;

Удельный расход сухого теплоносителя на 1 кг испаренной влаги определяем по формуле:

l’ = 1000 / С D M_d = 1000 / 536 * 1 = 1,86 кг,

или с учетом начального влагосодержания теплоносителя по формуле:

l = l’ (1 + 0,001 d₁) = 1,86 (1 + 0,001 * 84) = 2,016 кг.

Удельный расход отработанного теплоносителя определяем по формуле:

l” = l’ (1 + 0,001 d₂) = 1,86 (1 + 0,001 * 544) = 2,404 кг.

Удельный расход теплоты на 1 кг испаренной влаги определяют по формуле:

q = A B’ / C D * m = 605 / 536 * 2100 = 2370 кДж.

в). Тепловой баланс рабочей камеры сушилки.

По результатам расчета q₁ = r + c_п t₂ – 4,19 t’_щ , кДж,

где r – скрытая теплота испарения, 2260 кДж/кг;

c_п – удельная теплоемкость водяного пара, 1,97 кДж/кг ⁰С.

q₁ = 2260 + 1,97 * 80 – 4,19 * 20 = 2333 кДж

Расход теплоты на подогрев сухой части отработанного теплоносителя определяют по формуле:

Теплотехническая часть

Лист

9

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

q₂ = l’ (t₂ – t₀) c_в ,

где c_в – удельная теплоемкость сухого воздуха, 1 кДж/кг ⁰С.

q₂ = 1,86 (80 + 10) * 1 = 167 кДж на 1 кг испаренной влаги.

Тепловой баланс сушильной камеры.

Таблица 5.2.

Невязка баланса составляет (2793,25 – 2370) / 2793,25 * 100 = 1,5 %

Что близко к разрешающей способности счетной линейки. С учетом неточностей, неизбежных при графическом построении процесса, сходимость частей баланса считаем удовлетворительной.

г). Расчет удельных расходов топлива.

КПД топки принимаем η_т = 0,9.

При этих условиях удельный расход теплоты составит:

на 1 кг испаренной влаги

q_т = q / η_т = 2370 / 0,9 = 2633 кДж;

на 1 кг шликера

q_ш = 2633 * 18135,3 /39193,47 = 1218 кДж;

на 1 кг порошка

q_п = 2633 * 18135,3 / 21058,18= 2268 кДж;

на 1 кг сухого вещества

q_с = 2633 * 18135,3 / 19400,77= 2461 кДж.

Удельный расход натурального топлива – природного газа:

на 1 кг испаренной влаги

В_н = q_т / Q_н = 2633 / 37330 = 0,07 м³;

Теплотехническая часть

Лист

10

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

на 1 т шликера

В_н.ш = 0,07 * 1000 * 18135,3/ 39193,47 = 32,39 м³;

на 1 т порошка

В_н.п = 0,07 * 1000 * 18135,3 / 21058,18 = 60,28 м³;

на 1 т сухого вещества

В_н.с = 0,07 * 1000 * 18135,3 / 19400,77 = 65,43 м³;

Удельный расход условного топлива:

на 1 кг испаренной влаги

В_у.с. = q_т / Q_у.с. = 2633 / 29300= 0,09 кг;

на 1 т шликера

В_у.ш = 0,09 * 1000 * 18135,3 / 39193,47 = 41,63 кг;

на 1 т порошка

В_у.п = 0,09 * 1000 * 18135,3 / 21058,18 = 77,5 кг;

на 1 т абсолютно сухого вещества

В_у.с = 0,09 * 1000 * 18135,3/ 19400,77 = 84,12 кг.

5.5. Расчет часовых расходов тепла, топлива и теплоносителя

L₁ = l Δ G_w = 2,35 * 18135,3 = 42617,95 кг/ч;

Объемный часовой расход определяют по формуле

V⁰₁ = L₁ / γ₁ ;

где γ₁ – плотность теплоносителя, кг/м³;

γ₁ = μсо₂ * γсо₂ + μн₂о * γн₂о + μ_О2 * γ_О2 + μ_N2 * γ_N2 =

= 0,059 * 1,997 + 0,121 * 0,805 + 0,081 * 1,43 + 0,739 * 1,25 = 1,254 кг/м³;

V⁰₁ = 42617,95 / 1,254 = 33985,6 м³/ч;

Объемный часовой расход теплоносителя при t₁ = 1200 ⁰С составит

V_1t = 33985,6 (273 + 1200 / 273) = 9427456,05 кг/м³;

Часовой расход отработанного теплоносителя по массе:

L₂ = l“Δ G_w = 3,35 * 18135,3 = 60753,3 кг/ч;

Удельный объемный расход теплоносителя

V⁰₁ = l / γ₁ = 2,35 / 1,254 = 1,87 м³;

Удельный объемный расход отработанного теплоносителя

V⁰₂ = V⁰_{1 +} l / γ_п = 1,87 + 1 / 0,805 = 3,115 м³;

Теплотехническая часть

Лист

11

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Тогда удельная масса отработанного теплоносителя составляет

γ₂ = l“/ V⁰₂ = 3,35 / 3,115 = 1,075 кг/ м³;

Определяем часовой (объемный) расход отработанного теплоносителя при нормальных условиях и t₂ = 80 ⁰С;

V₂ = L₂ / γ₂ = 60753,3 / 1,075 = 56514,66 м³/ч;

V_2t = 56514,66 (273 + 80 / 273) = 15445063,25 м³/ч;

Рассчитаем часовой расход теплоты в рабочей камере сушилки:

Q_ч= q ∆ G_w = 2370 * 18135,3 = 42980661 кДж/ч.

Требуемая тепловая мощность топок

Ф_т.ч = Q_ч / η_т = 42980661 * 0,9 = 38682594,9 = 10715,58 кВт.

Определяем часовой расход топлива натурального (природного газа) и условного:

В_н.ч = Ф_т.ч * 3,6 * 10³ / Q_н = 10715,58 * 3,6 * 10³ / 37330 = 1033,38 м³/ч;

В_ус.ч = Ф_т.ч * 3,6 * 10³ / Q_ус =10715,58 * 3,6 * 10³ / 29300 = 1316,59 кг/ч.

Теплотехническая часть

Лист

12

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата