Проектирование распылительной сушильной установки

 

10.1 Основные параметры влажного материала

конечная влажность

Uк=100 - Xк=100 - 96=4%

начальная влажность

Uн=100 - Xн=100 - 41=59%

 

10.2 Материальный  баланс по твердому материалу

 

Производительность по готовому продукту (кг/ч):

 

а) W=Gн*(Uн - Uк)/(100 - Uк) → Gн=W*(100 - Uк)/ (Uн - Uк)

Gн=500*(100-4)/(59-4)= 872,7 кг/ч= 0,2424 кг/с

б) W=Gк*(Uн - Uк)/(100 - Uн) → Gк= W*(100 - Uн)/( Uн - Uк)

Gк=500*(100-59)/(59-4)= 372,7 кг/ч= 0,1035 кг/с

 

Производительность по абсолютно сухому исходному материалу:

 

Gc=(100 - Uн)/100)*Gн

Gc=(100 - 59)/100)*872,7= 357,8 кг/ч

 

Удельная масса влаги, удаленная из 1 кг готового продукта:

 

Wуд=W/Gк

Wуд= 500/372,7 = 1,34 кг  влаги/кг продукта

 

10.3 Материальный  баланс по сушильному агенту

 

Влагосодержание воздуха, кг влаги/кг абсолютно сухого воздуха:

 

Xо=0,622*(φ0*Pн/П-φ0*Pн),

 

где φ0 - относительная влажность воздуха;

Pн =2,3 кПа-давление насыщенного пара при температуре сушильного агента t0;

П=100 кПа - барометрическое давление;

При t=19,3°С и p=2,3 кПа

 

Xо=0,622*(0,69*2,3)/(100-0,69*2,3)= 0,01003 кг/кг

 

10.4 Тепловой баланс

 

Энтальпия воздуха, i, кДж/кг абсолютно сухого воздуха:

 

i=(Cв + Cп*x)*t + r0*x

 

где Cв=1,01 кДж/кг*К - средняя удельная теплоемкость водяного пара;

x - влагосодержание  воздуха, кг влаги/кг абсолютно  сухого воздуха;

t - температура  воздуха ( по сухому термометру) С;

r0 = 2493 кДж/кг*К - удельная теплота парообразования воды при 0 С

а) энтальпия воздуха, поступающего в калорифер:

 

i0=(1,01 + 1,97x0)*t0 + 2493x0;

i0=(1,01 + 1,97*0,01003)*19,3 + 2493*0,01003=44,88 кДж/кг

 

б) энтальпия воздуха, выходящего из калорифера:

 

i1=(1,01 + 1,97x0)*t1 + 2493x0;

i1=(1,01 + 1,97*0,01003)*185 + 2493*0,01003=215,51 кДж/кг

 

Расход теплоты на нагревание материала:

 

qm=(Gк*Cк*(θ2-θ1))/W - Cводы*θ1

 

где Cн, Cк, Cводы - удельные теплоемкости исходного материала, высушенного продукта, воды, кДж/кг*К;

Cводы =4190 Дж/(кг*К)

Ск=1926 Дж/(кг*К)

θ2, θ1 - начальная и конечная температуры материала.

 

| qm|= 372,7*1926*(65-41)/500 - 4190*41= |137,334|  кДж/кг

 

Потери теплоты в окружающую среду можно принять равными 10% от расхода теплоты на нагрев высушенного материала до конечной температуры материала и на испарение влаги:

q´пот=0,1(q´m + qисп),

 

где q´m= (Gк*Cк*(θ2-θ1))/W = 372,7*1926*(65-41)/500= 34,455 кДж/кг

qисп= rθ1 + Cп*(t2 - θ1) = 2403+1,97*(95-41)= 2509,38 кДж/кг

 

rθ1 - удельная теплота парообразования   = 2403 кДж/кг;

Cп=1,97 кДж/кг - средняя  удельная теплоемкость водяного  пара

 

q´пот=0,1*(34,455+2509,38)= 254,38 кДж/кг

 

Разность удельных расходов теплоты в действительной и теоретической сушилке:

 

Δ=ΣQ/W= qпот + qm, где

 

qпот, qm - расходы теплоты на нагрев материала, потери в окружающую среду кДж/кг испаренной влаги.

Δ = 137,334+254,38= 391,7 кДж/кг

 

Влагосодержание на выходе из сушилки:

 

x2=(i1 + x0*Δ - t2*1,01)/(1,97*t2 + Δ + 2493)

х2=(215,51+0,01003*391,7-95*1,01)/(1,97*95+391,7+2493)= 0,0402 кг/кг

 

Энтальпия воздуха на выходе из сушилки кДж/кг:

 

i2=(1,01 + 1,97*x2)*t2 + 2493*x2 

i2=(1,01+1,97*0,0402)*95+ 2493*0,0402= 203,7 кДж/кг

Баланс влаги в сушильной установке:

 

L*x2=L*x0 + W,

 

где L - расход абсолютно сухого воздуха, кг/ч;

x2 - влагосодержание сушильного агента на выходе

Расход абсолютно сухого воздуха, кг/ч:

 

L=W/(x2-x0)= 500/(0,0402- 0.01003)= 16572,75 кг/ч= 4,6 кг/с

 

Удельный расход воздуха, кг абсолютно сухого воздуха/кг испаренной влаги:

 

l=L/W=1/( x2-x0) =1/(0,0402- 0,01003)=33,14 кг/кг

 

Относительная влажность уходящего воздуха в процентах:

 

φ2=x2*П*100/Pн(x2 + 0,622),

 

где Pн - давление насыщенного пара при температуре уходящего сушильного агента t2, кПа

 

φ2=0,0402*100*100/84,5*(0,0402+0,622)= 7,18%

 

Объем влажного воздуха на выходе из сушилки,м3/ч:

 

V= (L*Rг*(273 +t2))/100000*(1 - φ2)

V= (16572,75*287*(273+95))/100000*(1-0,0718)= 18857,4 м3/ч

 

где t2 - температура уходящего сушильного агента

Rг - газовая постоянная  для воздуха, равная 287 Дж/кг*К

Удельный расход теплоты в теоретической сушилке при том же конечном состоянии воздуха, что и в действительной:

 

qт=(i2 - i0)/(x2-x0)= (203.7-44,88)/(0,0402-0,01003)= 5264 кДж/кг

 

Разность удельных расходов теплоты в действительной и теоретической сушилке:

 

q - qт=(i2 - i1)/(x2 - x0)=Δ

 

Удельный расход теплоты в действительной сушилке, кДж/кг испаренной влаги

 

q=Q/W==(i1 - i0)/(x2 - x0)=l*( i1 - i0)= 33,14*(215,51- 44,88)= 5655 кДж/кг

Δ=5655-5264= 391

 

Тепловой коэффициент полезного действия сушилки:

η=r/q,

где r - удельная теплота парообразования воды, определяемая по температуре материала при сушке (температура мокрого термометра), кДж/кг; удельный расход теплоты в действительной сушилке, кДж/кг испаренной влаги.

 

tм=45 C; r=2393,6 кДж/кг

η=(2393,6/5655)*100=42,3%

 

10.6 Расчет распылительной  сушильной установки

 

Рабочий объем сушильной камеры V, м3

 

Vp=W/A,

 

где W- производительность по испаренной влаге, кг/ч

А - влагосъем с 1м3 рабочего объема камеры, кг/м3*ч

Значение А определяем по графику, указанному на рис.5 в «Методических указаниях по курсовому проектированию конвективной сушильной установки» как функцию разности температур, ΔТ[3];

 

V=500/3,8= 131,58 м3

А=3,8 кг/(м3*ч)

 

Средний объемно-поверхностный диаметр капель при диспергировании центробежными дисковыми распылителями:

 

d0=13,45*10-1*(1/n)0,6*(1/ρ)0,3*(Gн*υ/Dд)0,2*(σ/y)0,1,

 

где d0 - средний объемно-поверхностный диаметр капли, м

n - частота вращения  распыливающего диска, 1500 с-1;

Dд - диаметр распыливающего  диска, 0,3 м;

y - смоченный  периметр распыливающего диска, 0,5 м;

Gн - массовый  расход исходного материала, 0,2424 кг/с;

ρ - плотность исходного материала, 1020,9 кг/м3;

υ - кинематическая вязкость материала, 1,077*10-6 м2/с;

σ - коэффициент поверхностного натяжения исходного материала, 42*10-3 Н/м.

d0=13,45*10-1*(1/1500)0,6*(1/1020,9)0,3*(0,2424*1,077*10-6/0,3)0,2*(42*10-3/0,5)0,1= 1,002*10-4 м= 1*10-4 м

Радиус факела распыления Rф, м:

 

Rф=0,33*d0*(ρ/ρг)*Re0,35*Gu-0,4*Ko-0,2

 

где Re, Gu, Ko - соответственно критерии Рейнольдса, Гухмана, Косовича.

ρ - плотность материала, 1020,9 кг/м3

ρг - плотность сушильного агента, 0,854 кг/м3

u0 - окружная скорость распыливающего диска, 100 м/с

υг - кинематическая вязкость сушильного агента, 27,8*10-6 м2/с

t1, t2 - температуры сушильного агента на входе и выходе сушилки;

tм - температура мокрого термометра, °С; 45оС

Cг - теплоемкость  сушильного агента, 1013,98 кДж/(кг*К)

r - теплота парообразования  при tм, 2393,6 кДж/кг

Uн, Uк - влажность  исходного материала и готового  продукта, кг/кг;

Re= u0*d0/υг= 100*1*10-4/27,8*10-6= 359,7

Gu= (0,5*(t1+t2)- tм)/(273+t1)= (0,5*(185+95)-45)/(273+185)=0,207

Ко=[273+0,5*(t1+t2)]*Cг/r*(uн-uк)=[273+0,5(185+95)]*1013,98/2393,6*(0,59-0,04)= 0,3181

 

Rф=0,33*10-4*1020,9/0,854*359,70,35*0,207-0,4*0,3181-0,2=0,73 м

D=2,5*Rф=2,5*0,73= 1,825 м

 

По полученному объему и ГОСТу определяем тип и размер сушильной камеры, ее диаметр D:

Тип РФ 5-140, внутренний диаметр сушильной камеры равен 5000 мм, высота цилиндрической части сушильной камеры равна 7000 мм, рабочий объем сушильной камеры 140 м3, производительность по испаренной влаге равна 280-2800 кг/ч.

 

10.7 Расчет калорифера

 

При теплоносителе паре рекомендуется применять одноходовые калориферы. При теплоносителе паре (перегретом или насыщенном) расчет следует производить на разность между температурами насыщения пара и средней температурой воздуха.

Расчет площади поверхности нагрева калорифера, систем вентиляции и кондиционирования воздуха, совмещенных с воздушным отоплением и запрограммированным для подачи наружного воздуха в количествах, необходимых для вентиляции в течении холодного периода года в пределах, ограниченных расчетными параметрами А, рекомендуется производить:

При теплоносителе паре - по суммарной потребности в тепле на отопление (при расчетной температуре наружного воздуха в холодный период года, соответствующей расчетным параметрам Б) и на вентиляцию (при наружной температуре, соответствующей расчетным параметрам А).

Действительное количество тепла, подводимого к калориферу, следует определять по сумме расходов тепла на отопление (соответствующих расходу при расчетной температуре наружного воздуха в холодный период года по расчетным параметрам Б) и на вентиляцию (по расчетным параметрам А).

Количество теплоносителя нужно определять с учетом условной потребности тепла.

1) задаваясь массовой скоростью воздуха υγ, кг/м2*ч, определяем необходимую площадь фронтального сечение, м2, калориферов по воздуху:

f1=G/3600* υγ,

где G(L) - расход нагревающего воздуха, кг/ч, принимаем

 

υγ=7 кг/м2*с

f1=16572,75/3600*7=0,657 м2

2) пользуясь техническими данными и исходя из необходимой f1, выбираем калорифер марки КП311-СК-01АУЗ.

Действительная массовая скорость воздуха в калориферах равна:

υγ=G/f= 16572,75/(3600*1,66)=2,77

3) объемный расход теплоты на нагревание воздуха:

 

Q=q*W=5655000*500/3600= 785417 Вт

 

Коэффициент теплопередачи калорифера К=43,8 Вт/м2*с

4) необходимая площадь поверхности нагрева, м2:

 

F´y=Q/K*(Tср - ((tн - tв)/2))=785417/43,8*(190 -((185 + 95)/2))= 358,6 м2

 

5) общее число установленных калориферов:

 

n´= F´y/ Fк ;

n´= 358,6/83,12= 4,31= 5

 

где Fк- площадь поверхности нагрева одного калорифера,  83,12 м2.

6) действительная площадь поверхности нагрева установки:

 

Fy= Fк*n=83,12*5= 415,6 м2

 

8) аэродинамическое сопротивление калориферной установки:

Δрк= n*Δpa= 5*32,43= 162,15 Па

 

8. Расчет и подбор вспомогательного оборудования

 

10.8.1 Расчет циклонов

 

Зная расход абсолютно сухого воздуха L=16572,75 кг/ч, задаваясь скоростью цилиндрических циклов 3,5 м/с:

 

L=w*S=w*(π*d2/4)= →d2=4*L/(w*π)=4*18857,4/(3,5*3,14*3600)=1,9 ;  d=1,38 м= 1,4 м= 2*700 мм

Выбираем одиночный циклон ЦН-15, D=0,7 м, в количестве 2х штук.

Определяем гидравлическое сопротивление циклонов:

 

Δp=ε*ρ*w2/2*g,

где ρ=0,742 кг/м3,  ε=150

Δp=150*0,742*3,52/2*10= 68 Па

Δpц= 2*68=136 Па

 

 

10.8.2 Выбор вентиляторов

По заданным значениям производительности и давлении, равной 162,15+136+100=398,15=400 Па, выбираем вентилятор типа В.Ц4-75 с числом оборотов nв=965 об/мин, электродвигателем

N=                                      Вт и η=75%.

 

 

10.9 Выбор точек  контроля и управления работой  установки

 

№ п/п	Обозначение	Прибор
1		Прибор для измерения давления
2		Прибор для измерения температуры
3		Прибор для измерения уровня

 

 

Вывод

 

Был выполнен проектный расчет сушильной установки, исходя из заданной производительности установки по испаренной влаге W=1800 кг/ч.

Основные показатели режима сушки, осуществляемой в сушильной установке: температура воздуха на входе в сушильную камеру t1=185°С, на выходе из сушильной камеры t2=95°С. Данная установка предназначена для сушки обезжиренного молока с начальной температурой θн=41°С, и конечной температурой θк=65°С. Содержание сухих веществ в исходном продукте Xн=41%, в конечном - 96%. Так как продукт является высоко влажным, была выбрана и спроектирована распылительная сушилка с коническим дном. Сушильная установка состоит из сушильной камеры, распылителя, воздухораспределительного устройства, вытяжного вентилятора, разгрузочного циклона, пневмотранспортной линии, вибролотка, парового калорифера, насоса, бака, а также устройств, измеряющих температуру на входе и выходе из сушильной камеры, уровень в баке, давление в насосе. Все вспомогательные приборы были выбраны в соответствии с заданными параметрами.