Конструктивный расчет
Время нахождения материала в барабане t, мин, определяем по формуле
(1.4.1)
где β-коэффициент заполнения барабана (принимаем согласно виду
высушиваемого материала и типа насадки барабана) для подъемно-лопастной насадки– 0,14;
ρ-плотность аммофоса (кг/м3) при средней ее влажности ωСР ;
ρс- средняя плотность материала, определяемая из таблиц справочника [2].
(1.4.2)
(1.4.3)
Определяем объем барабана Vбар, м3, [1]
(1.4.4)
Определяем диаметр барабана D, м [1]
(1.4.5)
где n-отношение длины барабана к его диаметру обычно принимается Lб:Dб=(3.5÷9)=n [3].Принимаем n=6.
Принимаем Dбар=2 [2]
Определяем площадь сечения S, м2 [1]
(1.4.6)
Определяем длину барабана Lбар, м [1]
(1.4.7)
Принимаем длину корпуса Lбар=12 м. Тогда отношение что вполне допустимо.
Уточняем объем барабана Vб по стандартным Lб и Dб, м3:
, (1.4.8)
Определяем объемное напряжение барабана по влаге А, кг/(м3∙ч):
(1.4.9)
Рассчитанное и принятое значение имеют допустимое расхождение.
Принимаем А=15 кг/(м3·ч).
Проверяем расчет времени сушки.
Определяем среднее время пребывания материала в барабане τср, м:
(1.4.10)
где Gm-количество находящегося в сушилке материала, кг:
Gм=Vб·β·ρс (1.4.11)
Gм=37,68∙0,14∙1750=9
Полученное среднее время пребывания материала в барабане должно быть чуть больше, чем время сушки материала, что удовлетворяет условия сушки.
Выбираем барабанную сушилку ближайшего типоразмера БН2-012НУ-0,1 имеющую наружный диаметр 2000мм и длину барабана 12000 мм,с подъемно-лопастной насадкой, в невзрывозащищенном исполнении. Производительность по высушенному материалу 4,5т/ч.
1.5 Динамический расчет
Определяем частоту вращения барабана n, об/мин:
, (1.5.1)
где а - коэффициент, зависящий от типа насадки и диаметра барабана.
α-угол наклона барабана к горизонту, принимается 0,5-6о[2]. Чем меньше наклон барабана, тем меньше нагрузки на его приводные части,
соответственно больше ресурс приводных механизмов сушильного барабана.
Принимаем ближайшую для типовой сушилки частоту вращения, об/мин. n=3,2 об/мин.
Определяем требуемый угол наклона барабана, α:
(1.5.2)
где ω - рабочая скорость газов в барабане, зависит от размера частиц и насыпной плотности материала, м/с.
Определяем мощность, потребляемую на вращение барабана N, кВт:
(1.5.3)
где s - коэффициент мощности, зависящий от вида насадки и степени заполнения барабана.
Определяем необходимую мощность двигателя, Nдв, кВт:
(1.5.4)
где η- общий КПД привода от двигателя до барабана:
(1.5.5)
где h1=0,94-0.96 - КПД цилиндрической передачи, [5];
h2=0.962 -0,982 - КПД 2-х ступенчатого редуктора, [5];
h3=0,98 - КПД муфты, принимаем согласно [5].
По каталогу [6] выбираем трехфазный асинхронный двигатель серии
АИР200L4 мощностью 45кВт номинальная частота вращения 1500 об/мин, КПД=92,5.
Механические расчеты вращающихся барабанов включают определение
толщины стенки барабана, обеспечивающей прочность и жесткость конструкции, расчет на прочность бандажей, а также опорных и упорных роликов.
В простейшей расчетной схеме (рис.3) барабан можно представить в виде балки длиной L, м, свободно лежащей на двух опорах и нагруженной равномерно распределенной нагрузкой от веса барабана G и загружаемого материала Gм.
Определяем толщину стенки барабана δ, м:
δ = (0,007 ÷ 0,01) ·Dб, (1.5.6)
где Dб – наружный диаметр барабана, м.
δ = (0,007 ÷ 0,01) ·Dб=0,14÷0,02
Толщина стенки барабана толщина должна быть не менее 1мм на метр
длины барабана, но не менее 4мм.Принимаем δ=20 мм.
Рисунок 3 -Расчетная схема
Затем толщину стенки проверяем на прочность по допускаемому напряжению на изгиб как балку кольцевого сечения.
Определяем внутренний диаметр барабана DВ, м:
DВ = Dб – 2δ (1.5.7)
DВ = 2– 2∙0,02=1,96.
Определяем вес барабана Gб,т:
Gб=ρст·g·π· Dб· Lб·δ, (1.5.8)
где ρст-плотность материала стенки барабана и насадки, принимается для
Ст 3, 7800 кг/м3;
g-ускорение свободного падения, 9,81 м/с2.
Gб=7800∙9,81∙3,14∙2∙12∙0,02=11,5
Определяем вес насадки Gнас, т:
Gнас=β·Vб· ρст, (1.5.9)
где βн-коэффициент заполнения барабана насадкой, принимаем 5%.
Gнас=0,05∙37,68∙7800=1,48
Определяем вес барабана с насадкой G, т:
G= Gб+ Gнас. (1.5.10)
G= 11,5+1,48=12,98.
Определяем удельную равномерно распределенную нагрузку на 1м
барабана q, Н/м:
q= (G+Gм)/Lб. (1.5.11)
q= (129800+93100)/12=18575.
Определяем в наиболее опасном сечении балки (посередине между опорами) минимальный изгибающий момент М, Н·м:
, (1.5.12)
где = 0,585•Lб- расстоянии между опорами, м.
Барабану передается также крутящий момент от привода, необходимый главным образом для поднятия центра тяжести материала на определенную высоту.
Определяем крутящий момент Мкр, Н•м:
(1.5.13)
где N - мощность привода, кВт;
n - частота вращения барабана,.
Условие прочности барабана имеет вид:
, (1.5.14)
где Мр - расчетный (приведенный) момент, Н•м, определяют по формуле:
(1.5.15)
W - момент сопротивления кольцевого сечения барабана, м3:
, (1.5.16)
Допускаемое напряжение рекомендуется принимать (с учетом возможных температурных напряжений, неточностей монтажа и т.п.) для барабанов без футеровки (сушилки, кристаллизаторы) в пределах 5—10 МПа.
После проверки на прочность, барабан проверяют на прогиб. Для нормальной работы допускается прогиб f не более 1/3 мм на 1 м длины, т. е.:
f≤0,0003· . (1.5.17)
0,02∙103≤2∙103.
Определяем прогиб от равномерно распределенной нагрузки f:
(1.5.18)
где Е - модуль упругости материала барабана, E=1,71•105 МПа;
I - осевой момент инерции кольцевого сечения барабана, м4, который
находят по формуле:
I=π·(Dб-δ)3·δ/8, (1.5.19)
I=3,14∙(2-0,02)3 ∙ =0,06.
Бандажи служат для передачи давления от веса барабана и загруженного
материала на опорные ролики (Рис. 4)
Рисунок 4- Схема расчета бандажа и опорных роликов:
1 - барабан; 2 - бандаж; 3 - башмак; 4 - опорный ролик.
Бандажи представляют собой кольца прямоугольного или коробчатого сечения. Для барабанов большого диаметра D>1м. чаще всего применяю свободное крепление бандажей, при котором они надеваются на чугунные или стальные башмаки. Башмаки повернуты упорными головками в разные стороны для предупреждения аксиального смещения бандажа. Предварительно по нормалям выбирают ширину и диаметр бандажей и опорных роликов, а затем выполняют проверку их на прочность. Ширина бандажа =0,1 м.
Определяем условие контактной прочности на смятие в месте соприкосновения ролика и бандажа:
(1.5.21)
где R — реакция опорного ролика, МН:
(1.5.22)
где α - угол наклона барабана, °;
φ — угол между опорными роликами (φ=60°);
z — число бандажей.
— наружный радиус опорного ролика и бандажа, принимается
0,86 и 0,25м;
— допускаемое напряжение материала ролика и бандажа на смятие
для стального литья = 300—500 МПа.
Выполним проверку прочности бандажа на изгиб. Рассматривая участок бандажа между двумя башмаками (рис.4) как кривой брус, можно записать условие прочности бандажа на изгиб:
(1.5.23)
где Мб - максимальный изгибающий момент в месте контакта опорного
ролика и бандажа, МН·м;
Wб -момент сопротивления сечения бандажа, м3.
- Условия выполняются
Определяем изгибающий момент Мб, МПа:
(1.5.24)
где l=(π•D_б)/m -расстояние между соседними башмаками, м;
m - общее число башмаков, m=8.
Определяем момент сопротивления бандажа прямоугольного сечения Wб, МПа:
(1.5.25)
где bб, hб - соответственно ширина (0,1) и высота бандажа (0,11), м.
1.6 Расчет горения топлива
В качестве сушильного агента в конвективных сушилках применяют смесь топочных газов с воздухом. При расчете сушильных установок необходимо знать основные физические параметры сушильного агента.
Топочные газы образуются при сжигании различных топлив и их использование в качестве сушильного агента имеет свои преимущества по сравнению с сушилками с паровыми или водяными калориферами:
- большая экономичность по расходу топлива;
- меньшие габаритно-весовые показатели;
- меньшая инерционность по температуре сушильного агента.
К недостаткам сушилок с топочными газами следует отнести возможность засорения сушимого продукта сажей.
Рассчитать горение топлива это значит определить:
– теоретический и практический расход дутья;
– количество и состав продуктов горения;
– плотность продуктов горения.
В качестве теплоносителя используем топочный газ, образующийся при горении газообразного топлива. В таблицу 1 сводим состав используемого природного газа [8].
Таблица 1 -Состав топлива
Компонент газа | CH4 | C2H6 | C3H8 | C4H10 | C5H12 | CO2 | N2 | Сумма |
Объемное содержание данного компонента,% | 92,8 | 3,9 | 1,1 | 0,4 | 0,1 | 0,1 | 1,6 |
Определяем теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1м3 газа, V0, м3/м3:
(1.6.1)
где yi - объемное содержание данного компонента, %.
Определяем объем дымовых газов.
Теоретический объем азота, м3 /м3:
(1.6.2)
Объем трехатомных газов, м3/м3:
(1.6.3)
Теоретический объем водяных паров, м3 /м3:
(1.6.4)
где V0 - теоретически необходимое количество воздуха для сжигания
1 м3 газа, м3 /м3;
d0 - влагосодержание атмосферного воздуха, кг/кг, определяем по
h-d-диаграмме влажного воздуха при среднегодовых температуре и относительной влажности атмосферного воздуха для заданного места установки проектируемого аппарата.
Определяем низшую теплоту сгорания газового топлива на 1м3 газа при нормальных условиях через теплоты сгорания составляющих его компонентов, кДж/м3:
(1.6.5)
Определяем общий коэффициент избытка воздуха, дополнительно подаваемогов камеру смешения, необходимый для получения газов с температурой tнг из уравнения теплового баланса, записанного дляусловий адиабатного сжигания:
(1.6.6)
(1.6.7)
где cв - теплоемкость воздуха, кДж/м3·К,
h0 в - энтальпия теоретически необходимого количества воздуха при температуре tнг, кДж/м3.
hг 0 -энтальпия газов при α – коэффициент избытка дутья в топке, для газообразного топлива, обычно составляет α = 1,05 ÷ 1,08 и температуре газов tнг определяется выражением, кДж/м3:
(1.6.8)
При расчете необходимо учитывать зависимость теплоемкости от температуры для газовых компонентов в следующем виде:
Теплоемкость сухих трехатомных газов, кДж/м3·К:
(1.6.9)
где tнг - температура теплоносителя на входе в сушилку, °С.
Теплоемкость азота, кДж/м3·К:
(1.6.10)
Теплоемкость водяных паров, кДж/м3·К:
(1.6.11)
Теплоемкость воздуха, кДж/м3·К:
(1.6.12)
Энтальпия теоретически необходимого количества воздуха при температуре tнг, кДж/м3:
(1.6.13)
Физическая теплота воздуха, кДж/м3:
( 1.6.14 )
Определяем коэффициент избытка воздуха:
(1.6.15)
Определяем действительный объем водяных паров при общем коэффициенте избытка воздуха, м3/м3:
(1.6.16)
Определяем объем сухих дымовых газов, м3/м3:
(1.6.17)
Определяем плотность отдельных компонентов при данном давлении
(Р = 101325Па) и температуре из уравнения состояния идеального газа, кг/м3:
(1.6.18)
где μi - молярная масса компонентов газа.
Плотность сухих дымовых газов, кг/м3:
(1.6.19)
Определяем влагосодержание теплоносителя на входе в сушильную камеру при заданной температуре tнг, кг/кг:
(1.6.24)
где VH2 O - действительный объем водяных паров при избытке воздуха αобщ, м3/м3,
Vс.г. - объем сухих дымовых газов, м3/м3.
По h-d диаграмме влажного воздуха при известных температуре tнг, и dн
определяем энтальпию газов перед сушильной установкой Hн=375кДж/кг
Построение теоретического и действительного процессов сушки на
H-d-диаграмме
Конечное влагосодержание для теоретической установки d2 находим по h-d диаграмме влажного воздуха (рисунок 5). Необходимо построить процесс сушки. Построение производится по расчетным параметрам наружного воздуха φ0 и t0, состояния сушильного агента перед камерой dн и tнг и его температуры на выходе из сушильной установки tкг.Точка А на рисунке 1 соответствует состоянию воздуха, поступающего в топку.
Условно процесс в топке и камере смешения изображается прямой А-В. Точка В определяется по температуре tнг и рассчитанному влагосодержанию dн. От точки В проводим линию H = const до пересечения с изотермой tкг в точке С и определяем конечное влагосодержание d2 для идеальной (без теплопотерь) сушильной установки, кг/кг.
Из уравнения материального баланса сушилки определим количество влаги по абсолютно сухому веществу в высушиваемом материале, кг/с:
(1.7.1)
Определяем расход теплоносителя, кг/с:
(1.7.2)
Определяем расход теплоты в теоретической сушилке, кДж/с:
(1.7.3)
Количество теплоты, необходимое для испарения 1 кг влаги и подогрева продукта от начальной до конечной температуры qм, с учетом теплопотерь в окружающую среду q5,определяется из уравнения теплового баланса, кДж/ влаги:
(1.7.4)
где qм - расход теплоты на нагрев материала, кДж/кг;
q5 - потери теплоты в окружающую среду, кДж/кг;
t0 ∙CH2O - физическая теплота влаги, вводимая с материалом, подлежащим сушке.
Тогда отклонение процесса в реальной сушильной установке от идеальной ∆ может быть определено, кДж/кг влаги:
(1.7.5)
Определяем потери теплоты в окружающую среду, кВт:
(1.7.6)
Определяем потери теплоты на нагрев материала, кВт:
(1.7.7)
где см – теплоемкость материала при конечной влажности, кДж/кг:
(1.7.8)
где с0 – теплоемкость абсолютно сухого материала, кДж/кг×К.
tнм - начальная температура материала, °С;
Переходим к построению реального процесса сушки (рисунок 5). Для этого из точки С на рисунке 1 откладываем отрезок вниз, равный ∆/ℓ1,кДж/кг (точка D). Из полученной точки проводится прямая B-D. Конечная точка действительного процесса определяется пересечением данной политропы с изотермой tкг (точка Е). Далее определяем энтальпию газов на выходе из сушильной установки Hн´ и истинное значение влагосодержания dк, кг/кг.
Определяем расход теплоносителя на испарение 1 кг влаги в
реальной сушильной установке, кг/кг влаги:
(1.7.9)
Определяем массовый расход свежего теплоносителя, кг/с:
(1.7.10)
Определяем расход теплоты на сушку, кВт:
(1.7.11)
Определяем количество подводимой теплоты в топку с учетом КПД
топки, η=0,95, кДж/ч:
(1.7.12)
Определяем расход топлива при сушке дымовыми газами с учетом
потерь теплоты в камере сгорания, м3/ч:
(1.7.13)