Барабанна сушарка

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

 

 

 

 

 

 

 

ПОЯСНЮВАЛЬНА  ЗАПИСКА

 

 

до курсового проекту з дисципліни

 

“Автоматизація  технологічних процесів”

 

на тему:

 

 «Барабанна сушарка»

 

 

 

 

 

 

 

 

Виконав:

 

.

 

Перевірив:

 

 

 

 

Київ-2011

 

 

Вступ

 

Видалення вологи з твердих  і пастоподібних  матеріалів робить дешевше       їхнє транспортування  і додає їм певні властивості, а також зменшує корозію апаратури. Вологу можна видаляти механічним способом: віджим, центрифуговування, відстоювання. Однак цими способами волога видаляється частково, більш ретельне видалення вологи здійснюється шляхом теплового сушіння: випар вологи, видалення пари.

Процес теплової сушки  може бути природним і штучним. Природна сушка застосовується рідко. По фізичній сутності сушка є складним дифузійним процесом. Його швидкість визначається швидкістю дифузії вологи з глибинних частин матеріалу до поверхні, а потім у навколишнє середовище. Видалення вологи при сушці включає не тільки перенесення матеріалу, але і перенос тепла, у такий спосіб є теплообмінним і масообмінним процесами. По способу підведення тепла до матеріалу, що висушується, сушіння поділяють:

1. Контактна – шляхом передачі тепла від теплоносія до матеріалу через розділову стінку;
2. Конвективна – шляхом безпосереднього зіткнення матеріалу, що висушується, із сушильним агентом. У якості якого використовують: підігріте повітря, топкові гази або топкові гази з повітрям;
3. Радіаційна – шляхом передачі тепла інфрачервоним випромінюванням;
4. Діелектрична – у полі струмів високої частоти;
5. Сублімаційна – у замороженому стані у вакуумі.

Матеріал, що висушується, при будь-якому методі сушіння  знаходиться в контакті з вологим  повітрям чи газом. При конвективному сушінні вологому повітрю приділяється основна роль. Тому необхідно чітко представляти якими параметрами описується повітря.

 

 

 

 

1. Класифікація сушарок.

 

Сушіння матеріалів, чи напівпродуктів готових виробів використовується практично на всіх стадіях виробництва будівельних матеріалів, виробів і конструкцій.

Для сушіння застосовують різноманітні сушарки, що відрізняються  по ряду ознак які покладені в  основу класифікації, приведеної нижче:

Таблиця №1

Ознака класифікації	Типи  сушарок
1. Тиск у робочому просторі.	Атмосферні, вакуумні, під  надлишковим тиском.
2. Режим роботи.	Періодичної і неперіодичної  дії.
3. Вид теплоносія.	Повітряні, на димових  чи інертних газах, на насиченій чи перегрітій парі, на рідких теплоносіях.
4. Напрямок руху теплоносія щодо матеріалу.	Прямоточні, протиточні, з перехресним струмом, реверсивні.
5. Характер циркуляції  теплоносія.	З природною і примусовою циркуляцією.
6. Спосіб нагрівання  теплоносія.	З паровими повітронагрівачами, з топковими пристроями, з електронагрівниками, комбіновані.
7. Стислість використання  теплоносія.	Прямоточні чи рециркуляційні.
8. Спосіб видалення  вологи із сушарки.	З теплоносієм, що відходить, із продувним повітрям, компенсаційні, з хімічним  поглинанням вологи.
9. Спосіб підведення  тепла до матеріалу.	Конвективні, контактні, з нагріванням струмами високої  частоти, із променистим нагріванням, з акустично ультразвуковим нагріванням.
10. Вид матеріалу, що  висушується.	Для крупнодисперсних, тонкодисперсних, пилоподібних, стрічкових, пастоподібних, рідких чи розчинів суспензій.
11.Гідродинамічний режим.	З щільним нерухомим  шаром, що перемішується шаром, завислим шаром, з розпиленням у потоці теплоносія.
12. Конструктивний тип  сушарки.	Камерні, шахтні, стрічкові, барабанні, трубні і т.д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Барабанна сушарка.

 

Вона являє собою  зварений циліндр – барабан, на зовнішній  поверхні якого укріплені бандажні опори, кільця твердості і приводний  зубцюватий вінець; Вісь барабана може бути нахилена до обрію на 4^˚ - 6^˚.

Барабанні атмосферні сушарки безупинної дії призначені для сушіння сипучих матеріалів топковими газами чи нагрітим повітрям.

Усередині барабана встановлюють насадки, конструкція яких залежить від властивостей матеріалу, що висушується. З боку завантажувальної камери багатозапірна гвинтова насадка, з числом спіральних лопат від шести до шістнадцяти в залежності від діаметра барабана. При сушінні матеріалу з великою адгезією до поверхні на початковій ділянці останнього закріплюють ланцюги, за допомогою яких руйнують камки й очищають стінки барабана. Для цієї ж цілі можуть застосовувати ударні пристосування, розташовані з зовнішньої сторони барабана.

У сушарках діаметром 1000 – 1600 мм для матеріалу з гарною сипкістю і середнім розміром часток до 8 мм установлюють секторну насадку. У тих же сушарках, для матеріалів, що володіють підвищеною адгезією сипучих матеріалів із середнім розміром часток  більш 8 мм установлюють під’ємно – лопатеві пристрої. У сушарках діаметром 1000 – 3500 мм для матеріалів схильних до налипання, але сипучі властивості, що відновлюють, у процесі сушіння спочатку встановлюють під’ємно – лопатеві перевалочні пристрої, а потім секторні насадки.

Основний матеріал для  виготовлення барабанів сушарок, завантажувальних і розвантажувальних камер –  вуглецеві сталі. У технічно обґрунтованих випадках додаткове виготовлення барабанів, розвантажувальних і розвантажувальних камер частково цілком з жаростійких сталей спеціальних марок.

Барабанні вакуумні сушарки  працюють, як правило, періодично і  їх застосовують для сушіння термочутливих матеріалів від води й органічних розчинників, а також для сушіння токсичних матеріалів. У залежності від властивостей матеріалу і вимог до готової продукції застосовують сушарки середнього чи глибокого вакууму. Вакуумні барабанні сушарки застосовують в основному у виробництві полімерних матеріалів.

 

3. Принципова схема барабанної  сушарки.

 

1 – барабан; 2 – живильник; 3 – сушильний барабан; 4 – топка; 5 – змішувальна камера; 6, 7, 11. –  вентилятори; 8 – проміжний бункер; 9 – транспортер; 10– циклон; 12 – зубчаста передача.

 

Вологий матеріал з бункера 1 за допомогою живильника 2 попадає  в обертовий сушильний барабан 3. Паралельно матеріалу в сушарку  подається сушильний агент, що утвориться від згоряння палива в топці 4 і  змішання газів у змішувальній камері 5. Повітря  в топку і змішувальну камеру подається вентиляторами 6,7. Висушений матеріал із протилежного кінця сушильного барабана 8, а з нього на транспортуючий пристрій 9.

Відпрацьований сушильний  агент перед викидом в атмосферу очищається від пилу в циклоні 10. При необхідності виробляється додаткове, мокре пиловловлення.

Транспортування сушильного агента через сушильну камеру здійснюється за допомогою вентилятора 11. При  цьому установка знаходиться  під невеликим розрідженням, що виключає витік сушильного агента через нещільності упакування.

Барабан приводиться в обертання  електродвигуном через зубчасту передачу 12.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Система автоматичного контролю  і регулювання процесу сушіння.

 

Система призначена для регулювання процесу сушіння різних добавок до цементу в прямоточних сушильних барабанах, що працюють на різних видах палива. Процес сушіння забезпечує максимальне тепловикористання барабана при мінімальних витратах праці людини.

Максимальна кількість тепла, що вводиться в барабан, визначається температурою теплоносія, вимірюваної в змішувальній камері, і швидкістю його проходження по довжині барабана.

Система здійснює контроль і регулювання технологічних  параметрів, а також передбачає можливість дистанційного керування регулювальними органами на живильнику палива і сирого матеріалу.

Основними контрольованими  параметрами автоматичної системи  є:

положення ножа тарілчастого живильника, що побічно дає машиністу  представлення про продуктивність барабана по сирому матеріалі;

температура в змішувальній камері;

витрата застосовуваного  палива (по положенню регулюючого  органа);

температура усередині  барабана (на першому метрі від  гарячого кінця барабана), що побічно  показує зміну вологості і  завантаження;

температура газів, що відходять;

температура висушеного матеріалу, що побічно відбиває його вологість.

Регулювальними органами в системі керування є: на барабанах  з газоподібним паливом – поворотна  заслінка, з пиловугільним паливом  – сектороподібний ніж на стрічковому транспорті подачі вугілля (при наявності млиново-шахтної топки), з мазутним паливом – регулюючий мазутний кран.

Система автоматичного  регулювання процесу сушіння  складається з двох регуляторів: регулятора температури в змішувальній камері і двоконтурному регуляторі завантаження. Перший контур здійснює позиційне регулювання завантаження матеріалу по температурі на першому місці від гарячого кінця, другий – автоматичну зміну завдання на температуру усередині барабана по температурі вихідного з барабана матеріалу.

Нормальними умовами  роботи барабана, при яких система  ефективно функціонує, є:

гарна пропускна здатність  вхідних пристроїв (тічка, вхідна частина  барабана);

безперервність у подачі сирого матеріалу в барабан;

зміна вологості сирого матеріалу в межах 8-25 %;

безперебійність подачі палива;

справний стан усіх механізмів агрегату;

відсутність перемінних підсмоктувань по всьому газоповітряному  тракті.

Розглянемо окремо роботу кожного регулятора.

 

4.1. Регулювання температури в  змішувальній камері.

 

Розглянута система призначена для автоматичної підтримки заданої температури в змішувальній камері сушильного барабана, зменшення часу на нагрівання змішувальної камери після простою барабана, а також для зниження подачі палива під час живлення барабана сирим матеріалом.

Система регулювання  підтримує температуру в змішувальній камері: на газоподібному паливі з  точністю (3(З на пиловугільному і  мазутному паливі – з точністю (10(С.

Підтримка сталості температури  в змішувальній камері забезпечується зміна подачі палива.

Як регулюючий прилад використовується регулятор, що  працює в режимі ПІ-регулювання.

Схема відсічення палива передбачає повне припинення його подачі при зменшенні нижче припустимих  значень тиску газу, тиску вторинного повітря, розрідження в змішувальній камері. Крім того, передбачається різке зменшення подачі палива при припиненні надходження матеріалу в сушильний барабан. Цей запобіжний захід необхідний для запобігання вхідної тічки від згоряння.

Функціональна схема  автоматичного регулювання температури в змішувальній камері представлена на мал. 1, а структурна – на мал. 2.

У системі передбачена  рівнобіжна схема регулювання з  використанням одного термоелектричного  перетворювача. Для усунення впливу один на одного паралельно включених  вторинного приладу і регулятора від цього термоелектричного перетворювача прокладаються дві пари термоелектродних проводів. В окремих випадках чутливість регулятора буває настільки велика, що приходиться загрубляти її шляхом уведення додаткового опору до 100 Ом у ланцюг регулятор – термоелектричний перетворювач.

При пуску сушильного агрегату ключ вибору режиму встановлюється в положення  «Автоматика». Тому що температура  в змішувальній камері низька, на регуляторі виникає максимальний сигнал розбалансу, що подається на магнітний підсилювач, підсилюється їм і надходить на електричний виконавчий механізм, керуючий заслінкою палива.

У схемі передбачене обмеження  подачі палива при зупинці барабана. Двигун виконавчого механізму зупиняється  при розмиканні кінцевого вимикача. При цьому в топку надходить та мінімальна кількість газу, на яке виставляється один зі шляхових вимикачів.

Настроюваними параметрами регулятора є:

середнє значення температури в  змішувальній камері;

зона нечутливості;

діапазон зміни витрати палива;

діапазон дії задатчика і ціна його розподілу;

динамічні параметри настроювання (швидкість зв'язку і час ізодрома).

Середнє значення температури в  змішувальній камері повинне вибиратися відповідно до заданого теплотехнічного  режиму можливо великим, тому що від  цього залежить продуктивність барабана й економічність витрати палива.

Зона нечутливості повинна вибиратися мінімально можливої для одержання  більш однозначного зв'язку між технологічними і температурними параметрами процесу.

На барабанах варто встановлювати  зону нечутливості приблизно 2°С в випадку роботи на газоподібному паливі і приблизно 6°З – на мазуті і вугільному паливі.

Діапазон зміни витрати палива вибирається з наступних розумінь: мінімальна витрата палива повинна  забезпечувати підтримка горіння  в топці без зриву смолоскипа; максимальна витрата палива визначається припустимою температурою в змішувальній камері.

 

4.2. Регулювання завантаження з  корекцією по температурі матеріалу  на виході із сушильного барабана.

 

Система призначена для підтримки  вологості висушеного матеріалу в межах ±1% при зміні вологості подаваного на сушіння матеріалу (від 8 до 35%). Регулювання здійснюється автоматичною зміною подачі сирого матеріалу в сушильний барабан.

В основу схеми регулювання покладений ряд експериментальних залежностей:

статична характеристика, що визначає залежність між кількістю сирого матеріалу і його вологістю про  режимі, що забезпечує постійну вологість  матеріалу на виході (мал. 1);

 статична характеристика, що визначає залежність температури  на першому метрі усередині  барабана від зміни кількості  сирого матеріалу, що надходить, (мал. 2);

статична характеристика, що визначає залежність між температурою матеріалу на виході і його вологістю (мал. 3).

 

 

 

 

 

2.2 Регулювання оптимального співвідношення “Паливо-Повітря”.

 

Необхідна для горіння  кількість повітря визначається з наступних міркувань.

Процес горіння газів  уявляє собою хімічну реакцію  сполучення їх із киснем. Для спалювання газового палива використовується кисень, що міститься в повітрі, яке надходить до місця горіння.

Реакція горіння відбувається при суворому співвідношенні числа  молекул горючого газу й повітря.

Теоретична кількість  повітря, необхідна для повного  згорання газового палива, визначається кількістю кисню у відповідності з реакціями горіння окремих компонентів. Табл. 2.1.

 

Об’ємні співвідношення продуктів згорання при спалюванні 1 м³ газу, м³/м³.

Таблиця 2.1

Газ	Рівняння горіння	Вит-рати пові-тря	Продукти згорання
			Діоксид вуглецю	Водяна пара	Азот	Загаль-ний об’єм
1	2	3	4	5	6	7
Водень	Н2+0,5О2=Н2О	2,38	немає	1	1,88	2,88
Оксид вуглецю	СО+0,5О2=СО2	2,38	1	немає	1,88	2,88
Метан	СН4+2О2=СО2+2Н2О	9,52	1	2	7,52	10,52
Етан	С2Н6+3,5О2=2СО2+3Н2О	16,66	2	3	13,16	18,16

При цьому враховують. Що співвідношення об’єктів кисню й азоту за процентним складом їх у повітрі (21 і 79%) складає 1:3,76, тобто на 1 м³ кисню припадаю 3,76 м³ азоту.

Таким чином, для використання 1 м³ кисню потрібно подати до місця горіння 4,76 м³ повітря.

Наприклад, для метану об’ємне співвідношення вихідних газів  і продуктів згорання можна навести  наступну рівність:

CH₄+2O₂+7,52N₂=CO₂+2H₂O+7,52N₂

Отже для згорання 1 м³ метану потрібно 9,52 м³ повітря, в яких міститься 2 м³ кисню.

При повному згоранні газового палива продуктами згорання є: двооксид вуглецю, водяний пар і азот, що міститься в повітрі і приймав участь у процесі горіння.

При неповному згоранні в продуктах згорання можуть міститися  оксид вуглецю, водень, метан і  навіть тяжкі вуглеводні, а також та частина повітря, яка в горінні не брала участь.

Якщо відомо склад  газового палива, то для спалювання 1 м³ його теоретично необхідна кількість повітря визначається, виходячи із процентного складу окремих горючих компонентів і витрат повітря для спалювання, кожного з них (за відрахуванням кисню в самому паливі).

V_О=0,01(2,38CO=2,38H₂=9,52CH₄+16,66C₂H₆+...-4,76O₂)

В наближених розрахунках  можна прийняти, що на кожну 1000 Ккал найвищої теплоти згорання вуглеводних  газів потрібно 1 м³ повітря.

Щоб забезпечити повноту згорання газу в практичних умовах, кількість повітря в газоповітряній суміші або поданого до місця горіння повинна перевищувати теоретично необхідну.

Відношення фактичного об’єму повітря, що приймає участь у горінні V_В до об’єму теоретично необхідного повітря  V_О називається коефіцієнтом надлишку повітря і позначається α.

Коефіцієнт надлишку повітря є дуже важливою експлуатаційною  характеристикою процесу горіння: зменшення його нижче певних меж  може привести до неповноти згорання газу, а збільшення – до невиправданих витрат тепла з відходячими газами. Крім того, із збільшенням надлишку повітря значно знижується температура горіння.

При повному згоранні палива коефіцієнт надлишку повітря  визначають за формулою:

α=N₂´/ ( N₂´-3,76Q₂)

а при неповному згоранні:

α=N₂´/(N₂´-3,76(O₂´-0,5CO´-0,5H₂´-2CH₄´))

Значення α може бути визначено в будь-якому місці  на шляху руху продуктів згорання, розбавлених повітрям: за топкою, за котлом перед димососом.

Склад у продуктах  згорання O₂´, CO´, H₂´ і CH₄´ визначають хімічним аналізом, а склад азоту :

N₂=100-(O₂+CO₂+CO+H₂+CH₄)

Із збільшенням надлишку повітря склад О₂ у продуктах згорання виростає й прямує до 21%, що відповідає складу його в повітрі.

Теплові об’єкти з  оптимальною характеристикою співвідношення паливо-повітря широко використовуються в промисловості. До таких об’єктів і відносяться котельні агрегати. Однак цифрове моделювання цих об’єктів сумісне із труднощами, основною з яких, є відсутність узагальненої моделі горіння палива в середовищі будь-якого окислювача, наприклад, повітря.

Нижче приведено опис теплового об'єкта з оптимальним  співвідношенням продуктів горіння  як елементу системи автоматичного  керування.

Характерні графіки  залежності тепловиділення від інтенсивності  надходження повітря при різних значеннях надходження палива показані на мал. 2.3.

Характерною особливістю  цих графіків є:

1. Усі вони проходять через початок координат, тобто при відсутності повітря паливо не згорає і тому теплота не виділяється.
2. Із збільшенням кількості повітря все більша кількість палива згорає, що приводить до підвищення інтенсивності тепловиділення.
3. Коли інтенсивність подачі повітря досягає значення, при якому основна маса палива згорає повністю, має місце максимальне значення тепловиділення.
4. Подальше підвищення інтенсивності подачі повітря приводить до зниження температури в об’єкті, так як надмірне повітря при незмінній інтенсивності тепловиділення тільки охолоджує об’єкт. Тому крива зміни температури асиметрично прямує до горизонтальної осі координат.
5. При великих значеннях інтенсивності газу, що надходить, точка екстремуму відповідно кривої зміщується в сторону збільшення температури по прямій, що проходить через початок координат. Тобто при оптимальному співвідношенні температура в об’єкті пропорційна інтенсивності надходження палива.

Так як система автоматики повинна нормально функціонувати  незалежно від фізики процесу, математична  модель повинна бути узагальненою, тобто задовольняти приведеним п’яти  вимогам.

При такому підході задача побудови математичної моделі зводиться до знаходження математичних виразів, що описують зв’язки між входами й виходами об’єкту.

Простішою з елементарних функцій, що задовольняє, перши чотирьом вимогам, є:

Тº=Q_ae^Qa

Для того щоб цей вираз  враховував характеристики конкретного  об'єкта, необхідно, щоб точки екстремуму задовольняли системі рівнянь:

де  Тº^е – температура в точці екстремуму,

Q_F – витрати газу,

k_T – коефіцієнт пропорційності між екстремальним значенням температури й витратами газу;

k_FA – коефіцієнт оптимального співвідношення паливо-повітря;

Q_A^e – екстремальне значення витрат повітря.

Це можливо, якщо рівняння представити у вигляді:

Тº=A₁Q_ae^A₂^Q_a

де А₁і А₂ – невідомі параметри, які необхідно знайти згідно умови.

Прирівнявши похідну  до нуля, після деяких перетворень отримаємо:

Вирішуючи сумісно рівняння, отримуємо математичну модель об’єкта  управління:

 

На мал. 2.4 показано графічне представлення процесу теплоутворення на структурних схемах автоматики. В результаті зміни температури, вологості й ін. параметрів повітря, а також тиску й температури газу, що надходить, коефіцієнти k_T і k_FA можуть змінюватись з часом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мал. 2.4 Графічне представлення  процесу теплоутворення на структурних  схемах автоматики

 

 

2.3 Дослідження  екстремального регулятора “Паливо-Повітря”

 

Для управління тепловим об’єктом, наприклад, газовою піччю (газ-повітря) використовують екстремальне регулювання. Математична модель має вигляд, який представлено на мал. 2.5.

Модель складаються  з теплового об'єкта (ланка 1), та дворівневого регулятора температури (ланка 2 і 3). На першому рівні (ланка 2) – екстремальний  регулятор подачі повітря; на другому (ланка 3) регулятор подачі газу.

Регулятор першого рівня  змінює подачу повітря у піч, досягаючи  максимального тепловиділення. На другому  рівні регулятор змінює подачу палива для отримання заданого температурного режиму.

Розглянемо подрібніше роботу першого регулятора, припускаючи що, подача палива постійна. При зміні подачі повітря температура Тº змінюється по експоненціальному закону (газ-повітря), дорівнює нулю при нульовій витраті повітря (Q_A=0); збільшується із збільшенням подачі повітря, доходить до максимуму при оптимальній витраті повітря (Q_A=Q_Aопт.), та експоненціально зменшується при подальшому збільшенні подачі повітря. Задача регулятора першого рівня – послідовний пошук оптимального значення витрати повітря Q_A=Q_Aопт, при якому паливо спалюється повністю і тепловіддача максимальна. Теоретично можна обчислити

Q_Aопт.=Q_F/k_FA

де  k_FA – коефіцієнт оптимального співвідношення паливо-повітря.

Звичайно, його величина невідома й  непостійна; вона залежить від цілого ряду факторів, таких як: температура  й вологість повітря, зміст кисню, наявність промислових домішок у повітрі. Тому точне значення витрати повітря обчислюється послідовним приближенням.