8 Розрахунок конденсатору

8.1 Тепловий розрахунок

Прихід.

1. Тепло, яке вноситься водяною парою з випарника:

Q₁= 12536657 кДж/год.

Витрати.

1. Тепло, яке уноситься конденсатом пару при температурі конденсації 50 С:

Q₂=4858·50·4,19=1017751 кДж/год.

2. Тепло, яке уноситься охолоджуючою водою: Q₃

Дорівнюючи прихід та витрату, одержимо:

Q₃ = 11518906 кДж/год.

Витрату води визначаємо приймаючи температуру входу та виходу води 25 і 40С:

W=м³/год.

8.2 Визначення поверхні теплопередачі

Швидкість води при турбулентному руху визначаємо по рівнянню:

υ=10,

де Z – в’язкість води при середній температурі,

ρ – густина води;

d – внутрішній діаметр трубок.

υ=10м/с.

Приймаємо швидкість води 0,6 м/с, тоді необхідний перетин для проходу води:

S= м².

Необхідна кількість труб в одному ході:

n=шт.

При чотирьох ходах:

n=299·4=1196 шт.

Приймаємо 4 – ходову трубчатку з числом труб 1303, які розміщуються на 19 шестикутниках.

Тоді фактична швидкість води:

υ=м/с.

Поверхня теплопередачі:

,

де Q – кількість тепла, Q₃ = 11518906 кДж/год;

∆t_ср– середня логарифмічна різниця температур в теплопередачі:

∆t_ср=С

К – коефіцієнт теплопередачі:

,

декоефіцієнт теплопередачі від пари, приймаємо 41900;

термічний опір стінок трубок; цією величиною нехтуємо;

термічний опір забруднень, приймаємо рівним 0,0002385;

коефіцієнт теплопередачі від стінки до киплячого розчину визначуваний по рівнянню:

Критерій Нуссельта:

Критерій Рейнольдса:

Критерій Прандтля:

.

Тоді:

_.

Коефіцієнт теплопередачі:

Необхідна поверхня теплопередачі:

Довжина труб:

l =

l =м.

Тоді діаметр трубчатки буде:

,

де число шестикутників;

крок розміщення трубок;

відстань від кожуха,

Приймаємо:

t=1,3·0,022=0,029 м;

t`=0,022 м.

Тоді:

D=2·(19·0,029+0,022)=1,726 м

9 Розрахунок барабанної сушарки

9.1 Матеріальний розрахунок

Виходячи з вихідної вологості сульфату амонію 2 %, встановлюємо кількість вологи, що видалена з матеріалу по рівнянню:

де - кількість солі , що виходить з сушарки;

, - відповідно початкова і кінцева вологість сульфату амонію, %.

Тоді:

9.2 Тепловий розрахунок сушарки

Як паливо використовується сухий коксовий газ наступного складу (% об.): CH₄ – 26,0; C₂H₆ - 2,5; H₂ – 60,0; CO – 6,5; N₂ – 1,5, О₂ – 0,6, CО₂ – 2,9.

Для спалювання 1 кг цього газу необхідно L₀ кг сухого повітря. Розрахунок L₀ за наступною формулою:

,

де СО, Н₂, – об’ємні долі компонентів, що горять.

Звідси:

кг/кг.

Виходячи з теплових ефектів реакцій згоряння компонентів палива:

+ 10810 кДж/м³;

+ 12680 кДж/м³;

+ 35741 кДж/м³;

+ 63797 кДж/м³.

Розрахуємо кількість тепла, що утвориться при згорянні 1 м³ газу:

,

де ω - об’ємна доля компоненту, %;

q – питома теплота згоряння компоненту, кДж/м³.

Отримуємо:

кДж/м³

Щільність паливного газу визначимо за формулою:

,

де – мольна маса компоненту;

– температура палива;

– мольний об’єм газу.

Підставивши у формулу значення отримаємо:

кг/м³.

Кількість тепла, що виділяється при спалюванні 1 кг газу:

Маса газів, що подається до барабану у розрахунку на 1 кг палива, що горить визначається загальним коефіцієнтом надлишку повітря α, необхідного для горіння палива та розбавлення топочних газів до температури 130 °С. Значення α знаходять з рівнянь теплового та матеріального балансів:

,

де η – ККД топки (дорівнює 0,95);

– теплоємність палива при 20°С, (дорівнює 1,34 кДж/(кг· К));

–ентальпія свіжого повітря, кДж/кг;

– ентальпія сухих газів, кДж/кг;

– вологовміст свіжого повітря, кг/кг;

r₀ – теплота випаровування води при 0°С, 2500 кДж/кг;

– середня теплоємність водяної пари, 1,97 кДж/(кг· К);

t_вп – температура пари на вході у барабан t_вп=130°С.

Для розв’язання цього рівняння необхідно розрахувати кількість вологи, що утвориться при згорянні газу. Перерахуємо об’ємні долі компонентів у масові:

Кількість вологи, що утвориться при згорянні 1 кг палива дорівнює:

кг/кг.

Вологовміст свіжого повітря знаходимо по даних вологості повітря φ₀=70%, та температурі t_пов=20°С за формулою:

де Р – атмосферний тиск (101 кПа);

– парціальний тиск насиченої водяної пари при 20°С, (2340 Па).

Звідси:

Загальна питома маса сухих газів, що утворюються при згорянні 1 кг палива та розбавлені топічних газів повітрям до температури 130°С дорівнює [3]:

Питома маса водяної пари у газовій суміші при спалюванні 1 кг палива:

Вологовміст газів на вході у барабан сушарки:

Ентальпія газів на вході у барабан сушарки:

У процесі сушіння тепло витрачається на нагрівання та випаровування вологи, нагрівання матеріалу, та непродуктивні втрати теплоти у оточуюче середовище. З рівняння теплового балансу сушіння:

Для теоретичної сушарки Δ=0. Для реальної сушарки:

,

де – питома витрата тепла на нагрівання матеріалу;

– втрати тепла у оточуюче середовище віднесені до 1 кг випареної вологи. Згідно з ГОСТу 26-01-450-78 приймаються для барабанних сушарок у межах 85 – 120 кДж/кг. Приймаємо = 120 кДж/кг.

де , - температура матеріалу на вході та на виході з сушарки.

Звідси:

Ентальпія водяної пари на виході з сушарки:

,

де – температура газів на виході з сушарки.

2500+1,97*75=2647,75 кДж/кг.

Ентальпія вологих газів на виході з барабану сушарки:

Звідси:

Вологовміст газу на виході з барабану:

В процесі сушіння волога з матеріалу випаровується та уноситься агентом сушіння. При цьому вологовміст газів збільшується з х1 до х2. Тому:

Витрата теплоносія:

Витрата тепла на сушіння:

Витрата паливного газу:

З цього:

9.3 Визначення розмірів сушильного барабану

Основні розміри сушильного барабану вибирають виходячи з об’єму сушильного простору. Цей об’єм складається з об’єму, необхідного для прогріву матеріалу до температури при котрій починається інтенсивне випаровування (), та об’єму необхідного для процесу випаровування вологи ().

Об’єм простору в який випаровується волога може бути знайдений з модифікованого рівняння масопередачі:

де ’- середня рушійна сила масопередачі, кг/м³;

- об’ємний коефіцієнт масопередачі.

Якщо рух матеріалу та агенту сушіння прямоточний, то коефіцієнт масопередачі Кυ чисельно рівний коефіцієнту масовіддачі βυ. Для барабанної сушарки коефіцієнт масовіддачі βυ може бути розрахований за емпіричним рівнянням:

де ρ_ср – середня цільність сушильного агенту, кг/м³;

с – теплоємність сушильного агенту при середній температурі в барабані (1 кДж/кг*К);

β – коефіцієнт заповнення барабану матеріалом (12%);

Р₀ – тиск при якому проводиться процес, Па;

р – середній парціальний тиск водяної пари, Па;

n – частота обертів барабану, об/хв. приймаємо n=1,5 об/хв;

ω – швидкість газового потоку в барабані, м/с.

Середня щільність сушильного агенту при середній температурі в барабані розраховується за формулою:

Середню температуру знаходимо як середньоарифметичну між температурою сушильного агенту на вході () та на виході () з сушарки:

Тоді:

Розрахуємо середній парціальний тиск парів води у барабані по значеннях вологовмісту на вході та на виході з барабану:

Значення парціальних тисків розрахуємо за формулами:

Звідси:

Згідно:

Маючі усі вихідні дані розрахуємо коефіцієнт масовіддачі βυ:

Рухаючу силу масопередачі визначимо через рівняння:

де – середня рухаюча сила масопередачі, Па. Її можна розрахувати за рівнянням:

Для прямоточних сушарок =-– рухаюча сила в началі процесу та=-- рухаюча сила наприкінці процесу. р* - тиск водяної пари над вологим матеріалом.(= 17153 Па; = 16063 Па). Звідси:

Розрахуємо рухаючу силу масопередачі :

Об’єм простору необхідний для процесу випаровування:

Об’єм необхідний для прогріву матеріалу знаходимо з модифікованого рівняння теплопередачі:

де Q_п – витрата тепла на прогрів матеріалу, кВт;

К_υ - об’ємний коефіцієнт теплопередачі, кВт/м³*К;

Δt_ср – середня різниця температур теплоносія та матеріалу.

Витрата тепла Q_п дорівнює:

де t – температура матеріалу на вході в сушарку;

θ – температура матеріалу на виході;

с_м – теплоємність сухого сульфату амонію.

Отже:

Об’ємний коефіцієнт теплопередачі знаходимо за емпіричним рівнянням:

Звідси:

Для розрахунку Δt_ср необхідно знайти температуру, до якої охолодиться сушильний агент віддаючи тепло матеріалу сушіння. Цю температуру можна знайти з рівняння:

де tх – шукана температура.

Звідки:

Підставляючи розраховані значення отримуємо:

Звідси об’єм сушильного простору барабану:

Відношення довжини барабану до його діаметру повинно знаходитися у межах 3,5÷7. Приймаємо L/D = 5.

З формули:

Звідси діаметр барабану:

Довжина барабану:

За ГОСТом 26-01-437 – 85 вибираємо барабан сушарки 1200×6000 мм, об’єм його сушильного простору 6,78м³.

Визначимо швидкість газів в барабані за формулою:

,

де – коефіцієнт заповнення барабану насадкою;

– об’ємна витрата вологого сушильного агенту на виході з барабану, м³/с. Він дорівнює:

,

де – середній вологовміст сушильного агенту, кг/кг сухого. Розраховується як середньоарифметичне міжта:

Тоді:

Швидкість газів в барабані:

Перевіримо, чи є дана швидкість припустимою, виходячи з того, що кристали сульфату амонію більші 0,35 мм не повинні виноситися током газів з барабану. Швидкість виносу рівну швидкості витання знайдемо з формули:

,

де – в’язкість газу при середній температурі, (рівна 0,022 мПа*с);

–щільність агенту сушіння при середній температурі;

d – діаметр часток матеріалу;

Ar – критерій Архімеду, рівний:

де – щільність часток матеріалу.

Звідси:

Розрахуємо критерій Архімеду:

Швидкість витання:

Вона є меншою за фактично розраховану швидкість газів у барабані =2,23 м/с, тому розрахунок основного обладнання закінчуємо [1].

Кількість матеріалу, що знаходиться у сушарці:

Час перебування матеріалу у барабані:

Кут нахилу барабану розраховується за формулою:

Звідси: