ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ И КОНСТРУКЦИИ

ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ
И КОНСТРУКЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПЕЧЕЙ
«Расчет барабанной вращающейся печи
для сушки сыпучих материалов»
МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
к курсовому и дипломному проектированию
по направлению подготовки 150400.62 – «Металлургия»
Составитель: Т. Е. Герасименко
Владикавказ 2014
0
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
"СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)"
Кафедра теории и автоматизации металлургических процессов и печей
ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ
И КОНСТРУКЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПЕЧЕЙ
«Расчет барабанной вращающейся печи
для сушки сыпучих материалов»
МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
к курсовому и дипломному проектированию для студентов
направления подготовки 150400.62 – «Металлургия»
Составитель: Т. Е. Герасименко
Допущено редакционно-издательским советом
Северо-Кавказского горно-металлургического
института (государственного технологического
университета)
Протокол заседания РИСа № 26 от 17.12.2013 г.
Владикавказ 2014
1
УДК 621.783.235
ББК 31.391
Г37
Рецензент
Профессор, доктор технических наук Северо-Кавказского
горно-металлургического института
(государственного технологического университета)
Мешков Е. И.
Г37
Общая теория тепловой работы и конструкции промышленных печей.
Расчет барабанной вращающейся печи для сушки сыпучих материалов.
Методическое пособие / Сост. Герасименко Т. Е.; Северо-Кавказский горнометаллургический институт (государственный технологический университет). – Владикавказ: Северо-Кавказский горно-металлургический институт
(государственный технологический университет). Изд-во «Терек», 2014. – 42 с.
Методическое пособие предназначено для студентов металлургических
специальностей технических ВУЗов для закрепления теоретических знаний по
курсу «Общая теория тепловой работы и конструкции промышленных печей».
В пособии кратко изложены теоретические сведения о барабанных сушилках и
приведены методики и примеры расчета конструктивных параметров сушилок,
горения топлива, теплового и материального баланса. Методическое пособие
поможет студентам освоить навыки проектирования промышленных печей.
УДК 621.783.235
ББК 31.391
Редактор: Иванченко Н. К.
Компьютерная верстка: Цишук Т. С.
 Составление. ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский
горно-металлургический институт
(государственный технологический университет)», 2014
 Герасименко Т. Е. составление, 2014
Подписано в печать 1.04.2014. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная.
Гарнитура «Таймс». Печать на ризографе. Усл. п.л. 2,38. Тираж 40 экз. Заказ №
.
Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический
университет). Издательство «Терек».
Отпечатано в отделе оперативной полиграфии СКГМИ (ГТУ).
362021, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44.
2
Содержание
Введение ............................................................................................................
4
Раздел 1. Теоретические основы .....................................................................
–
1.1 Краткие сведения о процессе сушки.........................................
–
1.2. Оборудование для сушки сыпучих материалов .....................
6
1.3. Принцип действия барабанной сушилки ................................
8
1.4. Конструирование барабанных сушильных печей ..................
10
Раздел 2. Методика расчета барабанной сушилки ........................................
–
2.1.Расчет горения газообразного топлива ....................................
–
2.2. Материальный баланс барабанной сушилки и температуры материальных потоков ................................................
16
2.3. Определение основных размеров барабанной сушилки........
18
2.4. Тепловой баланс и теплотехнические характеристики
печи .............................................................................................
19
2.5. Расход отходящих газов, скорость газов на выходе, их
запыленность и угол наклона барабана ...................................
21
Раздел 3. Пример расчета барабанной сушильной печи ...............................
23
3.1. Расчет горения газообразного топлива ...................................
–
3.2. Материальный баланс барабанной сушилки и температуры материальных потоков ....................................................
28
3.3. Определение основных размеров барабанной сушилки........
30
3.4. Тепловой баланс и теплотехнические характеристики
печи ............................................................................................
31
3.5. Расход отходящих газов, скорость газов на выходе, их
запыленность и угол наклона барабана ..................................
34
Раздел 4. Варианты задания .............................................................................
35
Раздел 5. Требования к оформлению курсового проекта .............................
36
Литература.........................................................................................................
37
Приложения.......................................................................................................
38
Чертеж печи.......................................................................................................
42
3
Введение
Металлургическая промышленность является одной из базовых отраслей промышленности России и уровень ее развития должен отвечать
стратегическим задачам обеспечения качественной продукцией российской экономики. Получение качественной продукции зависит от надежности работы промышленных печей.
Промышленная печь – это сложный агрегат, в котором одновременно
протекает большое количество различных процессов, а именно: тепловые
процессы, физико-химические и энергетические превращения, горение
топлива, движение сред и т. д. Каждый процесс имеет свои собственные
закономерности, поэтому расчет печи является сложным комплексом, в
котором объединены в систему методики расчета конструктивных параметров печи, горения топлива, тепловых балансов и т. д.
Данный курсовой проект выполняется с целью закрепления у студентов металлургических специальностей теоретических знаний по курсам
теплотехнического цикла, а также обучения методикам расчета промышленных печей и навыкам их проектирования.
Раздел 1. Теоретические основы
1.1. Краткие сведения о процессе сушки
Сушка – это процесс удаления из материалов влаги, обеспечиваемый
ее испарением и отводом образовавшихся паров. Сушка материалов и изделий производится в зависимости от их назначении или последующей
обработки. Для ряда материалов в результате сушки увеличивается прочность, долговечность, облегчается обработка, улучшаются теплоизоляционные свойства и т. д.
Различают сушку естественную (на открытом воздухе) и искусственную (в сушилках). При естественной сушке материал можно высушить
только до влажности, близкой к равновесной. Преимущество искусственной сушки состоит в ее малой продолжительности и возможности регулирования конечной влажности материала. Аппараты, в которых осуществляют сушку, называют сушилками. По способу сообщения тепла различают конвективные, контактные, терморадиационные, сублимационные и
высокочастотные сушилки. Дисперсные материалы, к которым относятся
зернистые, порошкообразные, гранулированные, дробленные твердые, а
также диспергированные жидкие и пастообразные продукты, в химической
технологии высушивают, главным образом, конвективным способом.
4
В конвективных сушилках тепло процесса несет газообразный сушильный агент (нагретый воздух, топочные газы или смесь их с воздухом), непосредственно соприкасающийся с поверхностью материала. Пары влаги уносятся тем же сушильным агентом. В сушилках многих типов
со взвешенным слоем высушиваемого материала сушильный агент служит не только тепло- и влагоносителем, но и транспортирующей средой
для дисперсного материала.
Если соприкосновение высушиваемого материала с кислородом воздуха недопустимо или если пары удаляемой влаги взрыво- или огнеопасны, сушильным агентом служат инертные к высушиваемому материалу
газы: азот, диоксид углерода, гелий и другие инертные газы или перегретый водяной пар.
Скорость процесса сушки влажного материала нагретым воздухом
зависит от интенсивности внешнего и внутреннего тепло- и массообмена,
т.к. от этих процессов зависит количество влаги, подведенной к поверхности испарения.
В простейшем виде процесс сушки осуществляется таким образом,
что сушильный агент, нагретый до предельно допустимой для высушиваемого материала температуры, используется в сушильном аппарате однократно. Этот процесс называется основным. Снижение температуры термолабильных материалов обеспечивается созданием дополнительной поверхности нагрева внутри сушильной камеры или нагреванием воздуха по
ходу процесса за счет тепла, полностью вносимого в сушильную камеру.
В процессе сушки во влажном материале происходит перенос влаги, как в
виде жидкости, так и в виде пара.
Изучение закономерностей переноса влаги и теплоты может идти
двумя путями:
– на основе молекулярно-кинетического метода, т.е. изучения микроскопической картины происходящих при этом процессов и осмысливания
физической сущности отдельных составляющих сложного явления.
– на основе понятий термодинамики процесса. Изучает макроскопические свойства тел и системы тел и процессы их взаимодействия, не интересуясь поведением отдельных молекул.
Перенос газообразного вещества может происходить молекулярным
путем за счет хаотического перемещения отдельных молекул (диффузия)
или за счет направленного перемещения молекул, когда каждая из них
движется независимо друг от друга (эффузия), и молярным путем, когда
перемещаются группы, скопления молекул под действием разности давлений в различных точках тела.
Для сушки материалов, требующих повышенной влажности сушильного агента и невысоких температур, применяют устройства, обеспечи-
5
вающие рециркуляцию (возврат) части отработанного воздуха в сушилку,
а также сушилки с промежуточным подогревом воздуха между отдельными ступенями (или зонами) и одновременной рециркуляцией его. При
сушке трудно сохнущего материала или для улучшения его сыпучести
применяют рециркуляцию части высушенного продукта, т.е. возврат его
на вход сушилки и смешение с исходным материалом.
Когда удаляемая из материала жидкость является ценным продуктом
(спирты, эфиры, углеводороды и другие растворители), а также при сушке
огне- и взрывоопасных материалов применяют схемы с полностью замкнутым циклом инертных газов, включающие дополнительно устройства для конденсации и удаления из системы испаряющейся влаги и одновременного осуществления циркулирующих в системе газов.
Перечисленные схемы являются вариантами основного процесса и
находят широкое применение во многих производствах химической промышленности.
Механизм конвективной сушки можно представить следующим образом. При введении влажного тела в нагретый газ происходит перенос тепла к поверхности материала, обусловленный разностью температур между
ними, нагрев его и испарение влаги. При этом повышается парциальное
давление вблизи поверхности тела, что и приводит к переносу паров влаги в окружающую среду. В результате испарения влаги с поверхности и
отвода образовавшихся паров возникает градиент концентрации влаги в
материале, являющийся движущей силой внутреннего перемещения ее из
глубинных слоев к поверхности испарения. При перемещении происходит
нарушение связи влаги с веществом твердого тела, что требует дополнительных затрат энергии сверх той, которая необходима для парообразования. Поэтому скорость процесса зависит от характера или формы связи
влаги с сухим веществом материала.
1.2. Оборудование для сушки сыпучих материалов
Сушильные печи применяются на металлургических заводах для
сушки исходных формовочных материалов и изготовляемых из них форм
и стержней. Основными формовочными материалами являются пористые
тела – глина и песок.
В сушильных печах в просушиваемых материалах протекают сложные процессы диффузии капельной влаги, ее испарения и последующей
диффузии пара, которые обусловливают резкую неоднородность таких
физических свойств, как удельная теплоемкость и коэффициент теплопроводности. При сушке формовочных материалов происходит также изменение размеров кусков, что затрудняет расчет процесса теплопроводности.
6
Поэтому в данном курсовом проекте выполняются только расчеты
процессов, обеспечивающих осуществление заданного температурного
режима: горения топлива, движения газов и происходящих при этом изменений их температуры. В заключение составляется тепловой баланс и
определяются показатели тепловой экономичности рассчитанной печи.
При сушке удаляется вся внешняя (поверхностная) влага и большая
часть влаги, содержащейся в порах (капиллярах). Химически связанная
(гидратная) влага, как правило, при сушке не удаляется.
Тепловая сушка протекает следующим образом. Вначале горячие газы, передавая тепло поверхности влажного материала, нагревают ее,
вследствие чего происходит повышение парциального давления пара
жидкости у поверхности. Поверхностная плотность потока испаряющейся
влаги пропорциональна разности парциальных давлений пара у поверхности и в омывающей эту поверхность газовой среде. Когда указанная разность давлений перестанет изменяться, начинается период постоянной
(максимальной) скорости сушки, характеризуемый также постоянством
плотности теплового потока.
После удаления влаги с поверхности испарение начинает происходить в глубине просушиваемого материала. По мере углубления поверхности испарения скорость сушки уменьшается вследствие увеличения
сопротивления диффузии капельной влаги, а затем образовавшегося из
нее пара. Диффузия влаги к поверхности испарения тормозится также явлением термодиффузии. Так называется перемещение влаги в сторону
пониженных температур, т. е. в направлении, противоположном диффузии, происходящей под влиянием разности влагосодержания.
В сушильной технике барабанные сушилки являются наиболее распространенным типом. Первоначально такие сушилки представляли собой открытую вращающуюся трубку, через которую пропускались горячие дымовые газы, вступавшие в тепло– и массообмен с движущимся по
трубе материалом. Барабанные сушилки применяют для сушки сыпучих и
малосыпучих материалов (колчедана, угля, фосфоритов, минеральных
солей, руды, удобрения, песка и т. д.). Высокая приспособляемость позволила им найти им найти применение во многих отраслях промышленности и в с/х при индустриальном производстве кормов.
По конструктивному использованию барабанные сушилки очень разнообразны. Сушилка может быть выполнена в виде единственной трубы,
может также представлять собой систему, состоящую из большого числа
труб разных диаметров, вставленных одна в другую.
Наиболее распространенная барабанная сушилка представляет собой
цилиндрический наклонный барабан с бандажами, которые при вращении
барабана катятся по опорным роликам (рисунок 1.1).
7
1.3. Принцип действия барабанной сушилки
Материала поступает с приподнятого конца барабана через питатель,
захватывается винтовыми лопастями, на которых он подсушивается, после чего перемещается вдоль барабана, имеющего угол наклона к горизонтали до 6°. Осевое смещение барабана предотвращается упорными
роликами.
Материал перемещается в сушилке при помощи внутренней насадки
(рисунок 1.2), равномерно распределяющей его по сечению барабана. Конструкция насадки зависит от размера кусков и свойств высушиваемого материала. Насадка осуществляет механическую перевалку материала, сбрасывая его в поток сушильного агента. Ее назначение заключается в том,
чтобы процесс теплообмена влажного материала с сушильным агентом
осуществлялся по возможно большему поперечному сечению барабана.
Рисунок 1.1 – Барабанная сушилка: 1 – барабан; 2 – бандажи; 3 – опорные ролики;
4 – передача; 5 – опорно-упорные ролики; 6 – питатель; 7 – лопасти; 8 – вентилятор; 9 – циклон; 10 – разгрузочная камера; 11 – разгрузочное устройство.
Наиболее целесообразна такая насадка, которая наименьшим образом распределяет, пересыпает, перемешивает материал и осуществляет
его контакт с потоком сушильного агента, не забиваясь при этом и не
нарушая транспортирования материала.
Насадка с точки зрения тепломассопереноса должна быть компактной, однако для надежности транспортирования интервал между элементами насадки должен быть как можно больше.
8
Рисунок 1.2 – Типы перевалочных устройств, применяемых в барабанных сушилках:
а – лопастная; б – подъемно – лопастная; в – распределительная; г – распределительная с закрытыми ячейками.
Обычно в барабанных сушилках материал и сушильный агент движутся прямотоком, благодаря этому предотвращается пересушивание и унос
материала топочными газами в сторону, противоположную его движению.
Для уменьшения уноса пыли при прямотоке скорость газов в барабане поддерживается около 2–3 м/с. Газы поступают из топки, примыкающей к барабану со стороны входа материала и снабженной смесительной камерой
для охлаждения газов до нужной температуры наружным воздухом.
Высушиваемый материал проходит через подпорное устройство в виде сменного кольца или поворотных лопаток, посредством которых регулируется степень заполнения барабана, обычно не превышающая 12–25 %
его объема. Готовый продукт проходит через шлюзовой затвор, препятствующий подсосу наружного воздуха в барабан, и удаляется транспортером. Газы просасываются через барабан при помощи дымососа, установленного за сушилкой. Для улавливания из газов пыли между барабаном и
дымососом включен циклон.
Барабан приводится во вращение посредством зубчатого венца, который находится в зацеплении с ведущей шестерней, соединенной через
редуктор с электродвигателем. Скорость вращения барабана зависит от
угла его наклона и продолжительности сушки; обычно барабан совершает
1–8 об/мин.
Преимуществами этих сушилок являются:
– интенсивность и равномерность сушки вследствие тесного контакта
материала и сушильного агента;
– относительная простота;
– большая производительность;
– большое напряжение барабана по влаге, достигает 100 кг/м3 и более.
К недостаткам относятся громоздкость при значительных затратах
металла и необходимость сооружения специального помещения.
9
1.4. Конструирование барабанных сушильных печей
При конструировании сушильных печей необходимо учитывать как
технологические, так и теплотехнические условия. К технологическим
условиям относятся: температурные режимы, производительность печи,
начальная и конечная влажность просушиваемых материалов. К теплотехническим условиям относятся: расход топлива, коэффициент полезного действия, геометрические параметры рабочего пространства и газодинамические процессы.
Наибольшее внимание при конструировании печи уделяют минимизации расхода теплоносителей (топлива) на сушку материала при максимальном увеличении доли тепла, расходуемого непосредственно на удаление влаги. Необходимо также стремиться к минимизации затрат, связанных со строительством, ремонтом и эксплуатацией оборудования,
приходящихся на единицу выпускаемой продукции.В процессе передачи
тепла от продуктов сгорания к высушиваемому материалу не все тепло
расходуется на нагрев и сушку материала. Часть тепла теряется в окружающем пространстве. Распределение тепла, вносимого в печь на полезное и потери, зависит от значительного количества параметров (геометрии пространства печи, вида теплоносителя, условий теплообмена и т. д.)
и определяется в результате составления теплового баланса печи. Кроме
того, при решении уравнения теплового баланса находят расход топлива,
необходимого для процесса сушки.
Раздел 2. Методика расчета барабанной сушильной печи
2.1. Расчет горения газообразного топлива
Химическая энергия топлива является одним из основных источников получения тепла в промышленных печах. При сжигании топлива с
воздушным дутьем образуются продукты сгорания, обладающие весьма
высокой температурой. Расчет горения топлива является необходимой
составной частью теплотехнического расчета промышленных печей.
Рассчитать горение топлива это значит определить:
– теоретический и практический расход дутья;
– количество и состав продуктов горения;
– плотность продуктов горения;
– температуру горения.
1. Пересчет каждого компонента сухого газа Ciс на содержание во
влажном газе Ciвл .
10
1.1. Если содержание влаги задано в процентах (Н2Овл, %), то пересчет производится по формуле
Сiвл  Сiс
100  Н 2О вл
%,
100
(2.1)
где Н 2 О вл – содержание влаги в газе.
1.2. Если влага задана в виде массы воды в единице объема сухого
газа (Н2Овл, г/м3), то пересчет производится по формуле
Ciвл  Сiс
100
%.
100  0,1242 Н 2Овл
(2.2)
1.3. Процентное содержание влаги составит
Н 2Ос  0,1242 Н 2 Овл .
(2.3)
1.4. После пересчета сумма всех компонентов должна быть равна
вл
вл
вл
COвл
 100 % ,
2  CO  C n H m  ...  Н 2 О
(2.4)
вл
где COвл
и т. д. – содержание компонентов во влажном газе.
2 , CO
Полученный состав газообразного топлива и является исходным для
проведения дальнейшего расчета.
2. Необходимый расход кислорода для окисления всех составляющих
топлива, приходящихся на 1 м3 газа:
вл
вл
вл
вл
VO2  0,01(0,5COвл  0,5Hвл
2  2CH4  3C2 H 4  3,5C2 H 6  5C3H8 
вл
вл
3 3
 6,5C4 H10
 8C5 H12
 1,5H 2Sвл  Oвл
2 ) м /м .
(2.5)
3. По расходу кислорода на единицу топлива и его содержанию в дутье определяется теоретический расход дутья
Vтеор 
VO2

,
(2.6)
где  – доля кислорода в дутье, д.е., если в качестве дутья используется
сухой воздух, то β = 0,21.
11
4. Практический расход дутья (воздуха)
Vв  Vтеор ,
(2.7)
где α – коэффициент избытка дутья, для газообразного топлива, обычно
составляет α = 1,05 ÷ 1,08.
5. В результате горения топлива в состав продуктов горения входят:
– газы, образующиеся в результате окисления составляющих топлива;
– газы, перешедшие непосредственно из топлива и дутья;
– влага, образующаяся при окислении составляющих топлива и перешедшая в продукты горения из топлива и дутья.
Следовательно, на 1 м3 топлива образуются следующие объемы газов
в продуктах горения
вл
вл
вл
вл
вл
VCO2  0,01(COвл
2  CO  CH4  2C2 H 4  2C2 H6  3C3H8 
вл
вл
 4C4 H10
 5C5 H12
) м3/м3.
VSO2  0,01H 2Sвл м3/м3.
(2.8)
(2.9)
вл
вл
вл
вл
вл
VH2O  0,01(Hвл
2  2CH 4  2C2 H 4  3C2 H6  4C3H8  5C4 H10 
вл
 6C5 H12
 H 2Sвл  H 2Oвл ) м3/м3.
(2.10)
3 3
VN2  0,01Nвл
2  (1  )Vв м /м .
(2.11)
VO2  (  1)Vтеор м3/м3.
(2.12)
6. Общий объем продуктов горения на единицу топлива
Vобщ  VCO2  VSO2  VH2O  VN2  VO2 м3/м3.
(2.13)
7. Процентное содержание каждого компонента в продуктах горения
CO2 
VCO 2
Vобщ
100 % ; SO 2 
N2 
VN2
Vобщ
VSO 2
Vобщ
100 % ; Н 2О 
100 % ; O 2 
VO2
Vобщ
VН2О
Vобщ
100 % ;
(2.14)
100 % .
8. Плотность продуктов горения

44VCO2  64VSO2  18VH2O  28VN2  32VO2
22,4Vобщ
12
, кг/м3.
(2.15)
9. Парциальные давления компонентов
р CO2 
V CO2
Vобщ
, атм; рSO2 
р N2 
V N2
Vобщ
V SO2
, атм; р H2O 
Vобщ
, атм; р O2 
V O2
Vобщ
V H 2O
Vобщ
, атм;
(2.16)
, атм.
10.Низшая теплотворная способность топлива
вл
Qнр  126,37COвл  107,98H вл
2  231,12 H 2S  358,2CH 4 
вл
вл
вл
 590,72C2 H вл
4  637 ,51C 2 H 6  912,56C3 H8  1186 ,51C 4 H10 
вл
 1468 ,0C5 H12
,
(2.17))
кДж/м3.
11. Физическое тепло, внесенное единицей топлива
вл
вл
вл
Qф. т  0,01(CH вл
4  cCH 4  C2 H6  cC2H6  C3H8  cC3H8  CO2  cCO 2 
вл
вл
 C4H10
 cC4H10  C5H12
 cC5H12  H2Oвл  cH2O 
 Nвл
2
вл
(2.18)
вл
 c N2  CO  cCO  Н2S  сН2S )t т , кДж/м3,
где c CH 4 , c C2H6 и т. д. – средние теплоемкости компонентов топлива,
кДж/(м3·0С) [2] или (см. Приложение1); tт – температура, при которой поступает топливо для горения, 0С, если топливо без подогрева, то tт = 25 0С.
12. Физическое тепло, вносимое воздухом на единицу топлива
Qф . д  Vв cв t в , кДж/м3,
(2.19)
где tв – температура, при которой поступает воздух для горения, 0С, если
отсутствует подогрев, то обычно tв = 25 0С; св – средняя теплоемкость
воздуха, кДж/(м3·0С), при температуре воздуха 25 0С теплоемкость равна
св = 1,30105 кДж/(м3·0С).
13. Физическое тепло, вносимое топливом и дутьем на единицу топлива
Qф  Qф . т  Qф . д , кДж/м3.
(2.20)
14. Степень диссоциации СО2 и Н2О зависят от парциальных давлений этих газов и теоретической температуры горения. От температуры
13
зависят и значения средних теплоемкостей компонентов продуктов горения. Определить теоретическую температуру горения из уравнения теплового баланса можно только методом последовательных приближений –
задаваясь температурой и добиваясь совпадения левой и правой частей
уравнения
д
д
Qнр  Qф  q дис  t теор (VCO
 сCO2  VSO
 сSO2  VHд2O  сH2O 
2
2
д
 VCO
 сCO  VNд 2  с N2  VOд2  сO2  VНд2  с Н2 ) , кДж/м3,
(2.21)
где tтеор – теоретическая температура горения топлива, 0С; qдис – тепло реакций диссоциации СО2 и Н2О, кДж/м3.
15. Принимаем теоретическую температуру горения топлива в первом приближении tтеор, при этой температуре определяем степени диссоциации СО2 и Н2О (см. Приложение 2) и тогда состав продуктов горения с
учетом диссоциации
д
VCO
 (1  a )VCO2 , м3/м3;
2
(2.22)
VHд2O  (1  b)VH2O , м3/м3;
(2.23)
д
VSO
 VSO2 , м3/м3;
2
(2.24)
VNд 2  VN2 , м3/м3;
(2.25)
д
VCO
 aVCO 2 , м3/м3;
(2.26)
VHд 2  bVH2О , м3/м3;
(2.27)
1
1
VOд2  VO2  aVCO2  bVH2O , м3/м3;
2
2
(2.28)
д
д
д
V д  VCO
 VHд2O  VSO
 VNд 2  VCO
 VHд2  VOд2 , м3/м3,
2
2
(2.29)
где а – степень диссоциации СО2, д.е.; b – степень диссоциации Н2О, д. е.,
определяемые по приложению 2.
16. Тепло диссоциации
q дис  aVCO2  q CO2  bVH2O  q H2O , кДж/м3,
(2.30)
где q CO2 , q Н2О – тепловые эффекты реакций диссоциации, кДж/м3 (см.
приложение 3)
17. Находим значение
14
Q1  Qнр  Qф  q дис , кДж/м3.
18.Находим значение
(2.31)
д
д
д
Q1  tтеор (VCO
 сCO2  VSO
 сSO2  VHд2O  сH2O  VCO
 сCO 
2
2
 VNд 2  с N2  VOд2  сO2  VHд2  с H2 ) , кДж/м3,
(2.32)
где с СО 2 и т. д. – средние теплоемкости продуктов горения с учетом диссоциации при принятой температуре tтеор(см. Приложение 1).
19. Сравниваем полученные значения Q1 и Q″1. Если Q1>Q″1, то
принятая температура занижена, если Q1<Q″1, то принятая температура
завышена.
Допускаем следующее приближение теоретической температуры горения топлива t″теор. При этой температуре и известным парциальным
давлениям находим степени диссоциации СО2 и Н2О. Определяем состав
продуктов горения с учетом диссоциации по формулам (2.22 – 2.29).
Находим значения тепловых эффектов реакции диссоциации при принятой температуре (см. Приложение 3), определяем тепло диссоциации qдис
по формуле (2.30) и находим значения Q2 и Q″2 по формулам (2.31 и
2.32). Сравниваем полученные значения Q2 и Q″2. Если Q2>Q″2, то принятая температура занижена, если Q2<Q″2, то принятая температура завышена.
20.Используя графический метод можно определить истинную температуру горения топлива
Q2
Q 1
Q1
Q2
tтеор
tтеор
tтеор
21. Объем воздуха, добавляемого к первичным продуктам сгорания
для их разбавления с целью снижения температуры в печи
15
Vв 
t теор  t нг
t нг
 tв
, м3/м3,
(2.33)
где t нг – максимальная температура сушки в зависимости от высушиваемого материала (для песка и доломита – 700–850 0С, глины – 650–800 0С);
tв – температура воздуха, обычно принимают равной 20 0С.
22. Объемы газов, содержащиеся в воздухе для разбавления
3 3
VN 2  0,79Vв , м /м ,
(2.34)
VO 2  0,21Vв , м3/м3,
(2.35)
где 0,79 – доля азота в воздухе; 0,21 – доля кислорода в воздухе.
23. Объем смеси продуктов сгорания и воздуха для разбавления, поступающей в барабан
Vсм  Vобщ  Vв , м3/м3,
(2.36)
24. Процентное содержание компонентов в смеси
CO2 
N2 
VCO 2
Vсм
100 % ; SO 
2
VN 2  VN 2
Vсм
100%%;
100
VSO 2
Vсм
O2 
VН 2 О
100%%; Н 2 О 
100 % ;
100
Vсм
VO 2  VO 2
Vсм
(2.37)
100 % .
2.2. Материальный баланс барабанной сушилки и температуры
материальных потоков
1. Количество влаги, поступающей в барабан вместе с материалом
w1
, кг/ч,
(2.38)
100
где w1 – содержание влаги в материале до его загрузки в барабан, %; G1 –
производительность сушилки по влажному материалу, кг/ч.
2. Количество материала, поступающего в барабан без учета содержащейся в нем влаги
(2.39)
G с  G1  W н , кг/ч,
W н  G1
16
3. Количество материала, выгружаемого из сушильного барабана
G2  Gс
100
, кг/ч,
100  w 2
(2.40)
где w2 – содержание влаги в высушенном материале, %.
4. Количество влаги, оставшейся в материале после сушки
w
W к  G 2 2 , кг/ч.
100
(2.41)
5. Количество влаги, удаленной из материала в процессе сушки
W уд  W н  W к , кг/ч.
(2.42)
Таблица 2.1 – Материальный баланс на 1 час работы печи
№
Поступило
1. Влажный материал
в том числе:
– сухой материал
– влага
кг
G1
Gс
Wн

ВСЕГО
%
100
№
Получено
1. Высушенный материал
в том числе:
– сухой материал
– влага
2. Удаленная влага
ВСЕГО
кг
G2
Gс
Wк
Wуд

%
100
6. Время нахождения материала в барабане
  120
м
w1  w 2
, мин,

m0 200  w1  w 2 
(2.43)
где  – коэффициент заполнения барабана, зависящий от материала и типа насадки, равный для лопастной насадки – 0,12, подъемно-лопастной –
0,14, распределительной – 0,206, распределительной с закрытыми ячейками – 0,275; м – насыпная плотность высушиваемого материала, кг/м3
(см. Приложение 5); m0 – напряжение по влаге, в зависимости от высушиваемого материала, кг/(м3ч) (см. Приложение 5).
7. Средняя температура материала в барабане
17
t ср
м 
t нм  t км
, С,
2
(2.44)
где t нм – температура, при которой материал поступает в печь, при отсутствии предварительного подогрева обычно t нм  20 0С; t км – температура,
при которой материалвыгружается из печи, для сыпучих материалов,
например, песка при сушке в стекольном производстве t км  80  100 0С;
8. Средняя температура газового потока в барабане
t нг  t кг 0
(2.45)
t ср

С,
г
2
где t кг – температура газов на выходе из сушильного барабана, например,
в процессе сушки песка или доломита в стекольном производстве составляет t кг  120 130 0С.
9. Средний температурный напор
tн  tн  tк  tк
t ср  г м н гн м , С,
(2.46)
t t
ln гк км
tг  tм

 

2.3. Определение основных размеров барабанной сушилки
1. Объем барабана
W уд
, м3,
Vбар 
(2.47)
m0
2. Диаметр и длина барабана
В зависимости от производительности G1 и начальной влажности w1
выбирают диаметр Dвни длину барабана L(см. Приложение 6).
3. Кожух барабана выполнен из листовой стали толщиной 15 мм и,
как правило, не футеруется изнутри огнеупорными материалами.
4. Наружный диаметр барабана
Dнар  Dвн  2ст , м,
где ст – толщина стенки барабана, м.
5. Поверхность барабана
18
(2.48)
Fбар  Dнар L , м2.
(2.49)
2.4. Тепловой баланс и теплотехнические характеристики печи
Приход тепла
1. Тепло, выделяемое при сжигании топлива
Q1  BQнр , кДж/ч,
(2.50)
где В – расход топлива, м3/ч; Qнр – низшая теплота сгорания топлива,
кДж/м3;
2. Физическое тепло, вносимое воздухом
Q 2  Bсв t в Vв  Vв  кДж/ч,
(2.51)
где Vв – расход воздуха на 1м3 топлива, м3/м3; tв – температура, при которой воздух поступает в печь, 0С; св – теплоемкость воздуха, средняя в интервале температур [0–tв], кДж/(м3·0С).
3. Физическое тепло, вносимое топливом
Q3  Bс т t т , кДж/ч,
(2.52)
где tт – температура, при которой топливо поступает в печь, 0С; ст – теплоемкость топлива, кДж/(м3·0С).
4. Физическое тепло, вносимое материалом
Q4  G1см t м , кДж/ч,
(2.53)
где tм – температура, при которой материал поступает в печь, 0С; см – теплоемкость материала, кДж/(м3·0С) (см. Приложение 5).
Расход тепла
5. Полезное тепло, расходуемое на нагревание просушиваемого материала и удаление влаги
Q5 
с
ср
м


 0,01w 2 c вл t км  t нм 
19
(2.54)


 0,01w1  w 2  i п  i вл  с п t ср
г  100
  G
м,
кДж/ч,
0
где сср
м – средняя теплоемкость материала, равная 0,84 кДж/(кг· С); свл –
средняя теплоемкость остаточной влаги в высушенном материале, равная
4,19 кДж/(кг· 0 С); i п – удельная энтальпия водяного пара при 100 0С,
равная 2675 кДж/кг; i вл – начальная удельная энтальпия воды,
iвл = свлtмн кДж/кг; сп – удельная теплоемкость пара, равная 2,09 кДж/(кг·0С).
6. Тепло, уносимое уходящими продуктами сгорания
Q6  Bссм t кг Vсм , кДж/ч,
(2.55)
где ссм – теплоемкость дымовых газов при температуре газов на выходе из
сушильного барабана t кг , кДж/(м3·0С).
7. Потери тепла, вследствие химической неполноты сгорания топлива.
При беспламенном сжигании топлива эти потери отсутствуют, то
есть продукты сгорания содержат СО2 и Н2О. При пламенном сжигании в
дымовых газах обычно содержится 0,5 – 3% несгоревших СО и Н2.
Если принять, что в продуктах сгорания на 1 % СО приходится 0,5 % Н2,
то теплота сгорания такой смеси при нормальных условиях составит
12150 кДж/м3, тогда:
Q7  12150  BVд рСО , кДж/ч.
(2.56)
8. Потери тепла в результате теплопроводности через поверхность
барабана
Q8  3,6в t ср
(2.57)
ст Fбар , кДж/ч,
где в – коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности барабана
воздуху, зависящий от температуры воздуха, Вт/(м2·0С); t ср
ст – средняя тем0
пература поверхности барабана, С.
9. Потери тепла топкой


Q9  1  пир Qнр В , кДж/ч,
(2.58)
где пир – пирометрический коэффициент, равный 0,9 для печей непрерывного действия.
20
10. Уравнение теплового баланса составляется с целью определения
расхода топлива, необходимого для обеспечения заданных условий сушки.
Qприхода  Q расхода , кДж/ч.
(2.59)
11. Коэффициент использования тепла
кит 
Q1  Q6
Q
 1 6 .
Q1
Q1
(2.60)
12. Количество тепла, расходуемое на нагрев 1 кг металла
qм 
Q5
, кДж/кг.
G1
(2.61)
13. Удельный расход тепла
q 
Q1
, кДж/кг.
G1
(2.62)
14. Коэффициент полезного действия печи
кпд 
Q5
100 , %.
Q прихода
(2.63)
2.5. Расход отходящих газов, скорость газов на выходе,
их запыленность и угол наклона барабана
1. Расход компонентов отходящих газов
отх.г
VCO
 ВVCO 2 , м3/ч,
2
(2.64)
отх.г
VSO
 ВVSO2 , м3/ч,
2
(2.65)
.г
VHотх
 ВVH 2O 
2O

 ВV
Wуд
18
22,4 , м3/ч,

 , м /ч.
.г
VNотх
 В VN2  VN 2 , м3/ч,
2
.г
VOотх
2
O2
 VO 2
21
3
(2.66)
(2.67)
(2.68)
2. Общий расход отходящих газов
отх.г
.г
отх.г
.г
.г
, м3/ч.
Vотх.г  VCO
 VHотх
 VSO
 VNотх
 VOотх
2
2O
2
2
2
(2.69)
3. Состав отходящих газов
.г
СОотх
2
отх.г
VCO
2

V отх.г
отх.г
VSO
2
.г
SО отх

2
V отх.г
H 2 O отх.г 
100 %,
(2.71)
V отх.г
V отх.г
.г
VOотх
2
.г
О отх

2
(2.70)
.г
VНотх
2О
.г
VNотх
2
.г
N отх

2
100 %,
V отх.г
(2.72)
100 %,
100 %,
(2.73)
100 %.
(2.74)
4. Плотность газов на выходе из барабана при нормальных условиях
0 
.г
.г
.г
.г
44СОотх
 64SO отх
 18H 2Oотх.г  28 N отх
 32Oотх
2
2
2
2
, кг/м3.
22,4 100
(2.75)
5. Плотность газов на выходе из барабана при рабочих условиях
г  0
273
, кг/м3.
к
273  t г
(2.76)
6. Действительная скорость газов на выходе из барабана
гд 
V отх.г


3600  0,785  D вн 1   г
2
, м/с.
(2.77)
7. Угол наклона барабана
 30L
 180
, град.
 бар   вн  0,007 гд 
 D n
 
22
(2.78)
где n – число оборотов барабана, об/мин (см. приложение 6).
8. Запыленность отходящих газов в барабанных сушильных печах
рассчитывается из условия, что пылеунос составляет 1–2 % от производительности печи.
23
Раздел 3. Пример расчета барабанной сушильной печи
Задание. Спроектировать барабанную вращающуюся сушильную
печь, предназначенную для сушки песка*, отапливаемую природным газом. Печь работает в непрерывном режиме. Производительность печи по
влажному материалу G1 = 12 т/ч*, начальная влажность w1 = 15 %*. Материал необходимо высушить до конечной влажности w2 = 1 %*.
* Значения, заданные по вариантам (см. таблицу 4.1).
Определить. Конструктивные параметры печи, составить тепловой
баланс и рассчитать основные теплотехнические показатели работы печи.
3.1. Расчет горения газообразного топлива
Для обогрева барабанной сушильной печи используем газообразное
топливо следующего состава: СН с4  98,629 %; С 2 Н с6  0,121 %;
С3Н8с  0,241 %; СОс2  1,009 %; Н 2 О  4 % (см. приложение 4).
При расчете принимаем, что в качестве дутья используется сухой
воздух, не содержащий инертных примесей. Сжигание производится с
коэффициентом избытка дутья  = 1,1.
1.Произведем пересчет состава сухого газа на влажный газ по формуле (2.1)
100  4
CHвл
 94,684 %;
4  98,629
100
100  4
C 2 H вл
 0,116 %;
6  0,121
100
100  4
C3H8вл  0,241
 0,231 %;
100
100  4
COвл
 0,969 %;
2  1,009
100
Н2О = W = 4 %.
Сумма всех компонентов по формуле (2.4)
вл
вл
COвл
2  Cn H m  ...  Н 2О  94,684  0,116  0,231  0,969  4  100 % .
2. Необходимый расход кислорода для окисления всех составляющих
топлива, приходящихся на 1 м3 газа, определяем по формуле (2.5)
VO2  0,01(2  94,684  3,5  0,116  5  0,231)  1,909 , м3/м3.
24
3. Теоретический расход дутья (формула 2.6)
Vтеор 
1,909
 9,09 , м3/м3.
0,21
4. Практический расход дутья (формула 2.7)
Vв  1,1  9,09  9,999 , м3/м3.
5. Объемы продуктов горения определяем по формулам (2.8–2.12)
VCO2  0,01(94,684  2  0,116  3  0,231)  0,956 м3/м3;
VH2O  0,01(2  94,684  3  0,116  4  0,236  4)  1,946 м3/м3;
VN2  0,79  9,999  7,899 м3/м3;
VO2  0,21(1,1  1,0)  9,09  0,191 м3/м3.
6. Общий объем продуктов горения на единицу топлива по формуле
(2.13)
Vобщ  0,956  1,946  7,899  0,191  10,992 м3/м3.
7. Процентное содержание каждого компонента в продуктах горения
по формуле (2.14)
CO2 
N2 
0,956
1,946
100  8,7 %; Н 2 О 
100  17,7 %;
10,992
10,992
7,899
0,191
100  71,9 %; O 2 
100  1,7 %.
10,992
10,992
8. Плотность продуктов горения по формуле (2.15)

44  0,956  18  1,946  28  7,899  32  0,191
 1,236 кг/м3.
22,4  10,992
9.Парциальные давления компонентов по формуле (2.16)
25
0,956
1,946
 0,087 атм; р H 2O 
 0,177 атм;
10,992
10,992
7,899
0,191

 0,719 атм; р O2 
 0,017 атм.
10,992
10,992
р CO 2 
р N2
10.Низшая теплотворная способность топлива определяется по формуле (2.17)
Q нр  358,2  94,684  637,51  0,116  912,56  0,231  34200 ,6 кДж/м3.
11. Физическое тепло, внесенное единицей топлива (формула 2.18)
Qф.т.  0,01(94,684 1,58  0,116  2,357  0,231  3,305  0,969 1,645 
 4,0 1,494)  25  39,552 кДж/м3.
12. Физическое тепло, вносимое воздухом на единицу топлива (формула 2.19)
Qф.д.  9,999 1,30105  25  325,23 кДж/м3.
13. Физическое тепло, вносимое топливом и дутьем на единицу топлива (формула 2.20)
Qф  39,552  325,23  364,782 кДж/м3.
14. Принимаем в первом приближении значение теоретической температуры горения топлива t теор = 1800 0 С и определяем степени диссоциации СО 2 и Н 2 О, по парциальным давлениям р СО2 = 0,087 атм и
рН2О = 0,177 атм (см. приложение 2):
а = 0,0486;
b = 0,0147.
15. Состав продуктов горения с учетом диссоциации определяем по
формулам (2.22–2.29)
д
VCO
 (1  0,0486 )0,956  0,9095 м3/м3;
2
VHд2O  (1  0,0147 )1,946  1,9174 м3/м3;
26
VNд 2  7,899 м3/м3;
д
VCO
 0,0486  0,956  0,0465 м3/м3;
VHд2  0,0147 1,946  0,0286 м3/м3;
VOд2  0,191  0,5  0,0486  0,956  0,5  0,0147 1,946  0,2285 м3/м3;
Vд  0,9095  1,9174  7,899  0,0465  0,0286  0,2285  11,095 м3/м3.
16. Тепло диссоциации (формула 2.30)
q д  0,0486  0,956 12394  0,0147 1,946 11584  907,2 кДж/м3.
17. Находим значение по формуле (2.31)
Q1  34200 ,6  364,782  907 ,2  33658 ,2 кДж/м3.
18.Находим значение по формуле (2.32)
Q1  1800 (0,9095  2,4226  1,9174 1,9055  7,899 1,4705  0,0465 1,4947 
 0,0286 1,3942  0,2285 1,5559 )  32286 ,6 кДж/м3.
19. Сравниваем полученные значения Q1 и Q″1. Так как Q1>Q″1, то
принятая температура tтеор = 1800 0С занижена.
14.Допускаем следующее приближение теоретической температуры
горения топлива t″теор = 1900 0С. Тогда степени диссоциации при рСО2 =
= 0,087 атм и рН2О = 0,177 атм равны: а = 0,0789; b = 0,02515.
15. Состав продуктов горения с учетом диссоциации по формулам
(2.22–2.29)
д
VCO
 (1  0,0789 )0,956  0,88 м3/м3;
2
VHд2O  (1  0,02515 )1,946  1,897 м3/м3;
VNд 2  7,899 м3/м3;
д
VCO
 0,0789  0,956  0,075 м3/м3;
VHд2  0,02515 1,946  0,049 м3/м3;
27
VOд2  0,191  0,5  0,0789  0,956  0,5  0,02515 1,946  0,253 м3/м3;
Vд  0,88  1,897  7,899  0,075  0,049  0,253  11,053 м3/м3.
16. Тепло диссоциации по формуле (2.30)
q д  0,0789  0,956 12352  0,02515 1,946 11768  1507 ,6 кДж/м3.
17.Находим значение по формуле (2.31)
Q2  34200 ,6  364,782  1507 ,6  33057 ,78 кДж/м3.
18.Находим значение по формуле (2.32)
Q2  1900 (0,88  2,4393  1,897  1,9252  7,899  1,478  0,075  1,49 
 0,049  1,3983  0,253  1,5638)  34291,2 кДж/м3.
19. Сравниваем полученные значения Q2 и Q″2. Так как Q2<Q″2, то
принятая температура t″теор = 1900 0С завышена.
20. Графическим методом определяем истинную температуру горения топлива по рисунку 2.1.
28
Рисунок 2.1 – Графический метод определения теоретической температуры
горения топлива.
Итак, теоретическая температура горения топлива равна 1855 0С.
21. Объем воздуха, добавляемого к первичным продуктам сгорания
для их разбавления с целью снижения температуры в печи, определяем по
формуле (2.33)
1855  850
Vв 
 1,21 м3/м3.
850  20
22. Объемы газов, содержащиеся в воздухе для разбавления (формулы (2.34–2.35))
VN 2  0,79  1,21  0,9559 м3/м3,
VO 2  0,21  1,21  0,2541 м3/м3.
23. Объем смеси продуктов сгорания и воздуха для разбавления, поступающей в барабан, по формуле (2.36)
Vсм  10,992  1,21  12,202 м3/м3.
24. Процентное содержание компонентов в смеси определяем по
формуле (2.37)
0,956
 100  7,83 %;
12,202
1,946
Н 2 О 
 100  15,95 %;
12,202
7,899  0,9559
N 2 
 100  72,57 %;
12,202
0,191  0,2541
O 2 
 100  3,65 %.
12,202
CO 2 
3.2. Материальный баланс барабанной сушилки
и температуры материальных потоков
1. Количество влаги, поступающей в барабан вместе с материалом
(формула 2.38)
29
W н  12000 
15
 1800 кг/ч.
100
2. Количество материала, поступающего в барабан, без учета содержащейся в нем влаги, (формула 2.39)
G с  12000  1800  10200 кг/ч.
3. Количество материала, выгружаемого из сушильного барабана, по
формуле (2.40)
100
G 2  10200 
 10303 кг/ч.
100  1
4. Количество влаги, оставшейся в материале после сушки, по формуле (2.41)
1
W к  10303 
 103 кг/ч.
100
5. Количество влаги, удаленной из материала в процессе сушки, по
формуле (2.42)
W уд  1800  103  1697 кг/ч.
Полученные результаты сводим в таблицу 3.1.
Таблица 3.1 – Материальный баланс на 1 час работы печи
№
Поступило
кг
% №
Получено
1. Влажный материал 12000 100 1. Высушенный материал
в том числе:
в том числе:
– сухой материал
– сухой материал
– влага
10200 85
– влага
1800 15 2. Удаленная влага
12000 100
ВСЕГО
ВСЕГО
кг
%
10303 85,86
10200 85
103
0,86
1697 14,14
12000 100
6. Время нахождения материала в барабане определяем по формуле
(2.43)
  120
0,14 1900
15  1

 30,06 мин = 1802 с.
80
200  15  1
7. Средняя температура материала в барабане – по формуле (2.44)
30
t ср
м 
20  100
 60 0С.
2
8. Средняя температура газового потока в барабане – по формуле
(2.45)
850  120
t ср
 485 0С.
г 
2
9. Средний температурный напор – по формуле (2.46)
t ср 
850  20   120  100   217 0С.
ln
850  20
120  100
3.3. Определение основных размеров барабанной сушилки
1. Объем барабана определяем по формуле (2.47)
Vбар 
1697
 22 м3.
80
2. Диаметр и длина барабана
В зависимости от производительности G1 = 12 т/ч и начальной влажности w1 = 15 выбираем диаметр барабанаDвн= 1,6 м.
Тогда сечение барабана составит
2
Sбар
Dвн
3,14 1,62


 2 м2.
4
4
Длина барабана
L
Vбар
Sбар

22
 11 м.
2
При выборе длины и диаметра барабана должно быть выполнено слеL
дующее условие вн  3,5  9 . Исходя из этого, проверяем правильность
D
принятых конструктивных размеров
L
11

 6,875 – удовлетворяет условию.
вн
1,6
D
3. Кожух барабана выполнен из листовой стали толщиной 15 мм.
31
4. Наружный диаметр барабана по формуле (2.48)
Dнар  1,6  2  0,015  1,63 м.
5. Поверхность барабана по формуле (2.49)
Fбар  3,14 1,63 11  56,3 м2.
3.4. Тепловой баланс и теплотехнические характеристики печи
Приход тепла
1. Тепло, выделяемое при сгорании топлива, по формуле (2.50)
Q1  34200 ,6  В кДж/ч,
где В – расход топлива, м3/ч.
2. Физическое тепло, вносимое воздухом, по формуле (2.51)
Q 2  В 1,30105  25  9,999  1,21  364,6  В кДж/ч.
3.Физическое тепло, вносимое топливом, по формуле (2.52)
Q 3  39,552  В кДж/ч,
(см. раздел 3.1, п.11).
3. Физическое тепло, вносимое материалом, по формуле (2.53)
Q 4  12000  0,835  20  200400 кДж/ч.
Расход тепла
5.Полезное тепло, расходуемое на нагревание просушиваемого материала и удаление влаги, по формуле (2.54)
Q5  0,84  0,01 1 4,19 100  20   0,0115  1
 2675  4,19  20  2,09485  100 12000  6551652 ,
кДж/ч,
6. Тепло, уносимое уходящими продуктами сгорания, по формуле
(2.55)
Q 6  В 1,353 120 12,202  1981,1  В , кДж/ч,
32
где ссм = 1,353 кДж/(м3∙0С) – средняя теплоемкость смеси при температуре
отходящих газов, равной 120 0С, рассчитанная по формуле:


ссм  0,01 СО2сСО2  Н2ОсН2О  SO2cSO2  N2c N2  O2cO2 , кДж/(м3∙0С),
где с СО 2 , с Н 2О и т. д. – теплоемкости компонентов смеси при температуре
газов на выходе из сушильного барабана – t кг , кДж/(м3·0С) (см. Приложение 1).
7. Так как в составе продуктов сгорания СО и Н2 отсутствуют, то потерями тепла, вследствие химической неполноты сгорания топлива, пренебрегаем, тогда
Q7 = 0 кДж/ч.
8. Потери тепла в результате теплопроводности через поверхность
барабана по формуле (2.57)
Q8  3,6  24,35  272,5  56,3  1344857 ,8 кДж/ч,
где в= 24,35 Вт/(м2·0С)- коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности барабана окружающему воздуху, зависящий от температуры воздуха и рассчитанный при температуре воздуха 20 0С по формуле:
2 0
 в  8  0,06 t ср
ст  8  0,06  272,5  24,35 Вт/(м · С),
ср
где t ст – средняя температура поверхности барабана, 0С. Ввиду сложных
условий теплообмена между сушильными газами, песком и металлической стенкой барабана среднюю температуру стенки можно рассчитать
исходя из следующей зависимости:
 t нг  t нм t кг  t км 
850  20 120  100 

  0,5
t ср


  272,5 0С.
ст  0,5

2
2
2
2




9. Потери тепла топкой по формуле (2.58)
Q 9  1  0,9  34200 ,6  В  3420 ,06 В кДж/ч.
10. Уравнение теплового баланса по формуле (2.59)
34200,6В+ 364,6В +39,552В + 200400 =
= 6551652 + 1981,1В+ 1344857,8 + 3420,06В.
В = 263,533 м3/ч.
33
Вычисленный расход топлива сравниваем с расходом топлива реальных сушильных барабанных печей (см. приложение 7).
Полученные данные сводим в таблицу 3.2
11. Коэффициент использования тепла по формуле (2.60)
кит 
Q1  Q6
Q
522085 ,23
 1 6  1
 0,94 .
Q1
Q1
9012986,72
12. Количество тепла, расходуемое на нагрев и испарение влаги с 1 кг
материала, по формуле (2.61)
qм 
6551652
 545,97 кДж/кг.
12000
13. Удельный расход тепла по формуле (2.62)
q 
9012986 ,72
 751,1 кДж/кг.
12000
14. Коэффициент полезного действия печи по формуле (2.63)
кпд 
6551652
 100  70,3 %.
9319894
Таблица 3.2 – Тепловой баланс печи
Статья прихода
Статья расхода
№ Наименование
кДж/ч
% № Наименование
кДж/ч
%
1 Тепло, полу34200,6В = 96,71 1 Тепло, расхо6551652
70,3
ченное при
= 34200,6 х
дуемое на
сжигании топ- х 263,533 =
нагревание
лива Q1
= 9012986,72
материала и
удаление влаги Q5
2
Физическое
364,6В =
1,03 2 Тепло, уноси- 1981,1В =
5,6
тепло, вносимое уходящи- = 1981,1 ·
= 364,6х
мое воздухом х263,533 =
ми газами Q6 263,533 =
Q2
= 522085,23
= 96084,13
3
Физическое
39,552В =
0,11 3 Потери тепла 1344857,8 14,43
тепло, вноси= 39,552 х
теплопроводмое топливом х 263,533 =
ностью через
Q3
= 10423,26
барабанQ8
4
Физическое
200400
2,15 4 Потери тепла 3420,06В = 9,67
тепло, вноситопкойQ9
3420,06 ∙
34
мое материаломQ4
ИТОГО
9319894
100
ИТОГО
263,533 =
901298,67
9319894
100
3.5. Расход отходящих газов, скорость газов на выходе,
их запыленность и угол наклона барабана
1. Расход компонентов отходящих газов по формулам (2.64–2.68)
отх.г
VCO
 263,533  0,956  251,94 м3/ч,
2
.г
VHотх
 263,533 1,946 
2O
1697
 22,4  2624 ,66 м3/ч,
18
.г
VNотх
 263,533  7,899  0,9559   2333,56 м3/ч,
2
.г
VOотх
 263,533  0,191  0,2541  117,29 м3/ч.
2
2. Общий расход отходящих газов по формуле (2.69)
Vотх.г  251,94  2624,66  2333,56  117,29  5327,45 м3/ч.
3. Состав отходящих газов по формулам (2.70–2.74)
251,94
100  4,7 %,
5327 ,45
2624 ,66
H 2 O отх.г 
100  49,3 %,
5327 ,45
2333 ,56
.г
N отх

100  43,8 %,
2
5327 ,45
117 ,29
.г
О отх

100  2,2 %.
2
5327 ,45
.г
СОотх

2
4. Плотность газов на выходе из барабана при нормальных условиях
по формуле (2.75)
0 
44  4,7  18  49,3  28  43,8  32  2,2
 0,98 кг/м3.
22,4 100
35
5. Плотность газов на выходе из барабана при рабочих условиях по
формуле (2.76)
273
г  0,98
 0,68 кг/м3.
273  120
6. Действительная скорость газов на выходе из барабана по формуле
(2.77)
5327 ,45
гд 
 1,46 м/с.
2
3600  0,785  1,61  0,14   0,68
6. Угол наклона барабана по формуле (2.78)
30 11

 180
 бар  
 0,007 1,46 
 2,6 град.
 1,6  3,15 1802
 3,14
7. Запыленность отходящих газов на выходе из барабана
z
0,01  0,02 G11000  0,015 12000 1000  34
V отх.г
5327 ,45
г/м3.
Раздел 4. Варианты задания
Таблица 4.1
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Производительность печи G1,
кг/ч
12000
10000
6000
25000
15000
20000
12000
10000
6000
25000
15000
20000
12000
10000
6000
25000
Начальное влаго- Конечное влагосодержание масодержание материала w1, %
териала w2, %
12
1
15
2
10
0,5
14
1,5
12
2
10
1,5
12
1
15
2
10
0,5
14
1,5
12
2
10
1,5
15
1
12
2
10
1
12
2
36
Высушиваемый
материал
песок
песок
песок
песок
песок
песок
доломит
доломит
доломит
доломит
доломит
доломит
глина
глина
глина
глина
№
17
18
19
20
Производительность печи G1,
кг/ч
15000
20000
8000
12000
Начальное влаго- Конечное влагосодержание масодержание материала w1, %
териала w2, %
15
2
14
1,5
15
2
12
1
Высушиваемый
материал
глина
глина
известняк
известняк
Раздел 5. Требования к оформлению курсового проекта
Курсовой проект должен включать в себя пояснительную записку и
графический материал.
Пояснительная записка должна содержать следующее:
1. Титульный лист.
2. Задание, заверенное подписью руководителя курсового проектирования.
3. Содержание с указанием страниц основных разделов пояснительной записки.
4. Введение.
5. Описание работы проектируемой печи и комплекса теплотехнических требований к нему.
6. Расчеты параметров печи.
7. Заключение.
8. Список используемой литературы.
Графический материал включает в себя чертеж проектируемой печи
и чертеж детали печи.
37
Литература
1. Мастрюков Б. С. Теплотехнические расчеты промышленных печей. М.: Металлургия, 1972.
2. Казанцев Е. И. Промышленные печи. М.: Металлургия, 1975.
3. Теплотехника. Под редакцией Г. А. Матвеева. М.: Высшая школа,
1981.
4. Диомидовский Д. А. Металлургические печи. М.: Металлургия,
1970.
5. Кривандин В. А., Марков Б. Л. Металлургические печи. М.: Металлургия, 1977.
6. Зобнин Б. Ф., Казяев М. Д., Китаев Б. И., Лисиенко В. Г., Телегин А. С.,
Ярошенко Ю. Г. Теплотехнические расчеты металлургических печей.
Учебное пособие для студентов ВУЗов. Изд. 2-е. М.: Металлургия, 1982.
38
Приложение 1
Средние теплоемкости газов (кДж/(м3·0С))
t, 0С
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
2100
2200
2300
2400
2500
О2
1,306
1,319
1,336
1,357
1,377
1,398
1,415
1,436
1,449
1,465
1,478
1,491
1,503
1,511
1,520
1,528
1,537
1,545
1,553
1,562
1,570
1,574
1,583
1,591
1,595
1,604
N2
1,294
1,298
1,298
1,306
1.315
1,327
1,340
1,352
1,365
1,377
1,390
1,403
1,415
1,425
1,436
1,444
1,453
1,461
1,470
1,474
1,482
1,491
1,495
1,503
1.507
1,511
CO
1,298
1,302
1,306
1,315
1,327
1,344
1,357
1,373
1,386
1,398
1,411
1,424
1,436
1,449
1,457
1,465
1,474
1,482
1,491
1,499
1,503
1,511
1,516
1,520
1,528
1,532
H2
1,277
1,289
1,298
1,298
1,302
1,306
1,310
1,315
1,319
1,323
1,331
1,336
1,344
1,352
1,361
1,369
1,373
1,382
1,390
1,398
1,407
1,415
1,423
1,432
1,436
1,444
CO2
1,599
1,700
1,788
1,863
1,930
1,989
2,043
2,089
2,098
2,169
2,202
2,236
2,266
2,290
2,315
2,336
2,374
2,374
2,391
2.407
2,424
2,437
2,449
2,462
2,470
2,483
H2O
1,495
1,507
1,524
1,541
1,566
1,591
1,616
1,641
1,666
1,696
1,725
1,750
1,775
1,805
1,830
1,855
1,876
1,901
1,922
1,943
1,964
1,985
2,001
2,018
2,035
2,052
39
SO2
1,733
1,813
1,888
1,955
2,018
2,060
2,114
2,152
2,181
2,215
2,236
2,261
2,278
2,299
2,319
2,340
2,361
2,382
–
–
–
–
–
–
–
–
CH4
1,549
1,641
1,758
1,888
2,014
2,139
2,261
2,378
2,504
2,600
2,700
2,788
2,864
2,888
2,960
3,044
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
C2H4
1,825
2,064
2,282
2,495
2,688
2,864
3,027
3,178
3,308
3,433
3,546
3,655
3,751
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
H2S
1,507
1,532
1,562
1,595
1,633
1,671
1,746
1,780
1,784
1,817
1,851
1,884
1,909
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
C2H6
2,211
2,495
2,776
3,044
3,308
3,355
3,776
3,986
4,174
4,363
4,530
4,685
4,827
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
Приложение 2
Степень диссоциации углекислого газа СО2, %
t, 0C
1500
1600
1700
1800
1900
2000
2100
2200
2300
2400
2500
2,94
0,6
2,2
4,1
6,9
11,1
18,0
25,9
37,6
47,6
59,0
69,1
3,93
0,5
2,0
3,8
6,3
10,1
16,5
23,9
35,1
44,7
56,0
66,3
4,90
0,5
1,9
3,5
5,9
9,5
15,4
22,4
33,1
42,5
53,7
64,1
5,88
0,5
1,8
3,3
5,5
8,9
14,6
21,3
31,5
40,7
51,8
62,2
6,86
0,5
1,7
3,1
5,2
8,5
13,9
20,3
30,3
39,2
50,2
60,6
7,85
0,5
1.6
3,0
5,0
8,1
13,4
19,6
29,2
37,9
48,8
59.3
8,83
0,5
1,55
2,9
4,8
7,8
12,9
18,9
28,3
36,9
47,6
58,0
9,81
0,5
1,5
2,8
4,6
7,8
12,5
18,3
27,5
35,9
46,5
56,9
11,77
0,5
1,45
2,6
4,4
7,2
11,8
17,3
26,1
34,3
44,6
55,0
Парциальное давление СО2, кН/м2 *
13,73 15,69 17,65 19,61 24,52 29,42 34,32
0,5 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4
1,4 1,35 1,3 1,3 1,2 1,1 1,0
2,5 2,4 2,3 2,2 2,0 1,9 1,8
4,2 4,0 3,8 3,7 3,5 3,3 3,1
6,8 6,5 6,3 6,1 5,6 5,3 5,1
11,2 10,8 10,4 10,0 9,4 8,8 8,4
16,6 15,9 15,3 14,9 13,9 13,1 12,5
25,0 24,1 23,3 22,6 21,2 20,1 19,2
32,9 31,8 30,9 30,0 28,2 26,9 25,7
43,1 41,8 40,6 39,6 37,5 35,8 34,5
53,4 52,0 50,7 49,7 47,3 45,4 43,9
39,23
0,4
0,95
1,75
3,0
4,9
8,0
12,0
18,5
24,8
33,3
42,6
44,13
0,4
0,9
1,7
2,9
4,7
7,7
11,5
17,9
24,0
32,3
41,4
49,03
0,4
0,85
1,65
2,75
4,5
7,4
11,2
17,3
23,2
31,4
40,4
58,84
0,4
0,83
1,6
2,6
4,3
7,1
10,5
16,4
22,1
29,9
38,7
68,65
0,4
0,79
1,5
2,5
4,1
6,8
10,1
15,6
21,1
28,7
37,2
78,45
0,4
0,75
1,4
2,4
3,9
6,5
9,7
15,0
20,3
27,7
36,0
88,26
0,4
0,72
1,3
2,3
3,7
6,2
9,3
14,5
19,6
26,8
34,9
98,07
0,4
0,70
1.3
2,2
3,6
6,0
9,0
14,0
19,0
26,0
34,0
39
Степень диссоциации пара Н2О, %
t, 0C
1600
1700
1800
1900
2000
2100
2200
2300
2400
2500
2,94
0,90
1,60
2,70
4,45
6,30
9,35
13,4
17,5
24,4
30,9
3,93
0,85
1,45
2,40
4,05
5,75
8,55
12,3
16,0
22,5
28,5
4,90
0,80
1,35
2,25
3,80
5,35
7,95
11,5
15,4
21,0
26,8
5,88
0,75
1,27
2,10
3,60
5,05
7,50
10,8
15,0
20,0
25,6
6,86
0,70
1,20
2.00
3,40
4,80
7,10
10,3
14,3
19,1
24,5
7,85
0,65
1,16
1.90
3,25
4,60
6,80
9,90
13,7
18,4
23,5
8,83
0,63
1,15
1,85
3,10
4,45
6,55
9,60
13,3
17,7
22,7
9,81
0,60
1,08
1,80
3,00
4,30
6,35
9,30
12,9
17,2
22,1
11,77
0,58
1,02
1,70
2,85
4,00
6,00
8,80
12,2
16,3
20,9
Парциальное давление Н2О, кН/м2 *
13,73 15,69 17,65 19,61 24,52 29,42 34,32
0,56 0,54 0,52 0,50 0,48 0,46 0,44
0,95 0,90 0,85 0,80 0,76 0,73 0.70
1,60 1,53 1,46 1,40 1,30 1,25 1,20
2,70 2,60 2,50 2,40 2,20 2,10 2,00
3,80 3,55 3,50 3,40 3,15 2,95 2,80
5,70 5,45 5,25 5,10 4,80 4,55 4,30
8,35 7,95 7,65 7,40 6,90 6,50 6,25
11,6 11.1 10,7 10,4 9,6 9,1 8,7
15,6 15,0 14,4 13,9 13,0 12,2 11,7
20,0 19,3 18,6 18,0 16,8 15,9 15,2
* 1 атм = 98,0665 кН/м2.
0
39,23
0,42
0,67
1.15
1,90
2,65
4,10
5,90
8,4
11,2
14,6
44,13
0,40
0,64
1,10
1,80
2,57
3,90
5,65
8,0
10,8
14,1
49,03
0,38
0,62
1,05
1,70
2,50
3,70
5,40
7,7
10,4
13,7
58,84
0,35
0,60
1,00
1,63
2,40
3,55
5,10
7,3
9,9
12,9
68,65
0,32
0,57
0.95
1.56
2,30
3,40
4,90
6,9
9,4
12,3
78,45
0,30
0,54
0,90
1,50
2,20
3,25
4,70
6,7
9,0
11,7
88,26
0,29
0,52
0,86
1,45
2,10
3,10
4,55
6,4
8,7
11,3
98,07
0,28
0,50
0,83
1,40
2,00
3,00
4,40
6,2
8,4
11,0
Приложение 3
Значения тепловых эффектов реакций диссоциации
СО2 и Н2О
Т, К
q CO 2 , кДж/м3
523
1273
1773
2273
2773
3273
16410
12650
12520
12310
12350
12480
q H2O кДж/м3
10800
11180
11260
11800
10930
10300
Приложение 4
Состав природных газов различных месторождений
Месторождение
Елшанское
Курдюмовское
Бугурусланское
Газлинское
Тульское
Мелитопольское
Хадумское
Верейское
Ставрополь
Кавказский
Меловые горы
Состав газа, % (объемн.)
С3Н8 С4Н10 С5Н12 СО2
0,6
0,6
0,5
–
–
1,0
–
–
1,7
0,8
0,6
0,2
0,38
0,24
–
0,13
–
0,3
–
0,3
–
–
–
0,2
0,12
0,06
–
0,1
0,1
–
–
–
СН4
93,2
92,2
77,8
94,16
97,8
98,0
98,7
98,5
С2Н6
0,7
0,8
4,4
2,49
0,4
–
0,35
0,5
97,7
–
–
–
–
94,4
–
–
–
–
Н2S
–
–
1,0
–
–
–
–
–
N2
4,4
6,0
13,5
2,6
9,3
1,8
0,67
0,9
0,7
–
1,6
0,6
–
5,0
Приложение 5
Теплофизические свойства материалов и кинетические
характеристики барабанных сушилок
№
1
2
3
4
Материал
Размер Плот- Насыпная ТеплоемНапря- Тип перевачастиц, ность плотность
кость,
жение по
лочных
мкм
частиц, материала, кДж/(кг0С) влаге,
устройств
кг/м3
кг/м3
кг/(м3ч)
Подъемно–
Глина 0,2–0,5 1600
1380
0,92
50–60
лопастная
ИзвестРаспредели1–15
2650
1800
0,92
45–65
няк
тельная
РаспределиПесок
0,5–2
2100
1900
0,835
80–88
тельная
РаспределиДоломит 1–2
1800
1600
0,93
80–90
тельная
40
Приложение 6
Типоразмер
Техническая характеристика барабанных сушильных печей
1
2
3
4
Размеры
барабана, м
Диа- Длиметр
на
1,0
1,2
1,6
2,2
Объем
рабочего
пространства, м3
4,0
6,0
8,0
12,0
3,14
6,8
16,1
45
Производительность, т/ч
Для песка с w1,
%
6
10 25
6,45 3,0 0,8
11,2 6,3 1,4
26,4 15,0 3,2
51,8 43,0 6,4
Для глины
с w1, %
25
0,64
1,4
3,3
9,2
Число оборотов барабана,
об/мин
При работе на
газе n=3,15
или 4, на мазуте n=6,3
Приложение 7
Технические характеристики барабанных сушилок серии С,
для сушки песка и других строительных материалов
№
Модель
1 Производительность,кг/ч
2 Расход газа, мин.,
м3/ч.
3 Расход газа, макс.,
м3/ч.
4 Мощность электропривода барабана, кВт
С–0,3
300
С–1
С–3
С–5
С–10 С–20
C–30
С–50
1000 3000 5000 10000 20000 30000 50000
1,2
4,4
5
11
88
210
210
300
4
9
20
39
190
430
430
650
2,2
3
4
4
5,5
7,5
11
22
41
42