Сушильный барабан для сушки гранул в производстве керамзита производительностью 100000 м3 в год
Министерство науки и образования РФ
Алтайский государственный технический университет
им. И. И. Ползунова
Кафедра строительных материалов
______________________
“___”____________2006 г.
УДК 666.04
Сушильный барабан для сушки гранул в производстве керамзита
производительностью 100000 м3 в год
Расчетно-пояснительная записка к курсовому проекту
по дисциплине “Тепловая обработка в производстве строительных материалов и изделий”
КП 290600. 04. 000 ПЗ
Проект выполнила студентка гр. ПСК-21 |
Н. Бровкина |
Нормоконтролер проекта профессор, д.т.н. |
В. Л. Свиридов |
Барнаул 2006
Реферат
Курсовой проект состоит из одного листа графической части формата А1 и расчетно-пояснительной записки объемом 25 страниц машинописного текста, а так же 3 рисунка. Объектом курсового проекта является тепловая установка - барабанная сушилка для сушки керамзитовых гранул производительностью 100 000 м3 в год. В результате работы запроектирована сушильная установка с геометрическими размерами: длина 14 м; диаметр барабана 2,8 м.
Расход дымовых газов на 1 кг испаренной влаги в сушиле 4286 кДж/ч. Расход тепла на сушку материала составляет 12575875 кДж/ч.
Abstract
Course project consists of one sheet of the graphic part of the size Ay and the calculated- explanatory note by volume 25 pages of typewritten text, and so 3 figures. By the object of course project is thermal installation - revolving dryer for the drying of keramzit granules productivity 100 000 m3 in year. As a result of work the drying plant with the geometric dimensions is designed: the length of 14 m; the diameter of drum 2,8 m.
Expenditure of flue gases per 1 kg of the evaporated moisture in the dryer 4286 kJ/h. Heat consumption for heating of materials is 12575875 kJ/h.
Содержание
стр.
Введение…………………………………………………………
1 Описание работы барабанной сушильной установки……………………………..5
2 Расчет сушильного барабана…...
2.1 Исходные данные
для расчета……………………………………………….
2.2 Технологический расчет сушильного барабана ………………......................12
2.3 Тепловой расчет сушильного барабана …………………………………….. 14
3 Автоматизация……………………………………………
4 Охрана труда и техника безопасности…………………………………………….
Список литературы………………………………………………….
Введение
Сушкой называют термический процесс удаления влаги из материала при температуре ниже ее кипения. При этом удаляется только физически и физико – химически связанная влага при низких температурах нагрева, поэтому химических превращений при сушке не происходит. Сушка заключается в обмене теплотой и массой между теплоносителем и материалом. Удаление влаги ведет к сближению частиц материала и формированию его структуры [1].
Для сушки строительных материалов, изделий и деталей применяют сушильные установки. Сушилка должна обеспечивать максимальную скорость сушки высушиваемого материала при соблюдении высокого качества его, минимальный расход тепла и электроэнергии на 1 кг испаряемой влаги, равномерность сушки по всему объему сушилки, а также должна обладать возможно большей напряженностью объема по влаге (т. е. количеством испаряемой влаги на 1 м3 объема), легкостью регулирования параметров сушильного агента. Так же сушильная установка должна быть оснащена механизмами для загрузки, выгрузки и перемещения материала, снабжена прибором теплового контроля и автоматикой и, наконец, удовлетворять санитарным нормам [2].
Для сушки кусковых и сыпучих материалов применяют разнообразные сушильные установки. Из формулы Ньютона известно, что количество испаренной влаги из материала qm пропорционально поверхности испарения qm = f (F). Следовательно, для кусковых и сыпучих материалов необходимо применить такой способ сушки, чтобы каждая частица или кусок материала омывались со всех сторон сушильным агентом. В этом случае при прочих равных условиях эффективность сушки будет максимальной.
В качестве транспортирующих устройств в сушильных установках могут применяться различные типы вагонеток и конвейеров. Кроме того, сами сушилки могут одновременно служить транспортными устройствами (барабанная сушильная установка и др.).
Работа сушильной установки оценивается удельными расходами теплоты и электроэнергии на удаление 1 кг влаги. В экономичных установках расход теплоты составляет 3500 – 5000 кДж/кг испаренной влаги. Электроэнергия расходуется на транспортирование сушильного агента. Удельный расход ее колеблется в очень больших пределах – от 0,05 кВт·ч и выше в современных многопутных сушилках со сложным трактом движения сушильного агента.
Классификации сушильных установок по единому принципу пока не существует. Поэтому для классификации используют ряд признаков работы сушил.
Так, по режиму работы, сушилки делят на периодические и непрерывного
действия. Периодические работают по циклам. Сначала установку загружают материалом, далее проводят процесс сушки, после чего высушенную продукцию выгружают из установки. Тепловой режим в таких установках нестационарный. Сушильные установки непрерывного действия работают в близком к стационарному режиме. Загрузка и выгрузка изделий происходит непрерывно или небольшими одинаковыми интервалами.
По способу передачи теплоты сушилки делят на конвективные, контактные (кондуктивные), радиационные и смешанные. В последних применяется любое сочетание из указанных трех способов передачи теплоты.
По схеме движения сушильного агента различают противоточные, прямоточные, смешанные, с рециркуляцией, с реверсивной циркуляцией и другие сушильные установки.
По конструкции сушила подразделяют на распылительные для суспензий, газослоевые для кусковых и сыпучих материалов с сушкой в фильтрующем, кипящем и виброкипящем слоях, во взвешенном и транспортируемом в сушильном агенте состоянии, барабанные, шнековые для кусковых и сыпучих материалов, туннельные и конвейерные для сушки штучных и листовых материалов и др. [3].
1 Описание работы барабанной сушильной установки
Барабанные конвективные сушилки наиболее широко применяются в промышленности строительных изделий. Они просты в обращении, экономичны и надежны в эксплуатации. Барабан сушила имеет длину 4 – 30 м и диаметр 0,1 – 3,2 м, установлен под углом 4 - 6º к горизонту и вращается со скоростью 0,5 – 8 об/мин. Барабанная сушильная установка (рисунок 1) состоит из вращающегося стального барабана 9. Барабан снабжен венцовой шестерней 10, через которую осуществляется его вращение, и двумя опорными бандажами 8. Бандажи при вращении барабана катятся по неподвижным роликовым опорам 16 и исключают возможность передвижения барабана в продольном направлении. Торцы барабана с помощью уплотнительных колец 7 укреплены в камерах 6 и 11. Камера 6 служит для подачи материала, которая осуществляется через течку 5 питателем. Через камеру 11 отбирается высушенный материал, который через затвор 15 попадает на конвейер готовой продукции 14.
Камеры 6 и 11 одновременно предназначены для подачи и отбора сушильного агента. При работе барабана методом прямотока сушильный агент и материал передвигаются в одном направлении, подача сушильного агента, как показано на рисунке 1, осуществляется в камеру 6, а отбор отработанного сушильного агента — через камеру 11. При работе барабана методом противотока сушильный агент подается в камеру 11, а отбирается через камеру 6, движение материала остается прежним. Сушильный агент — теплоноситель готовится в выносной топке 1 посредством сжигания топлива, подаваемого через горелку 18, и воздуха на горение вентилятором 17. Продукты горения топлива попадают в смесительную камеру 2, где через окно 3 разбавляются холодным воздухом. Топка 1 снабжена аварийной трубой 4.
Рисунок 1 - Схема барабанной сушильной установки
1 — топка; 2 — смесительная камера; 3 — окно для подачи холодного воздуха; 4 — аварийная труба; 5 — подача материала; 6, 11—концевые камеры сушилки; 7 — уплотнительные кольца; 8 — опорные бандажи; 9 — металлический барабан; 10 — венцовая шестерня; 12— циклон; 13 — отсасывающий вентилятор; 14 — конвейер; 15 — челюстной затвор; 16 — роликовые подшипники; 17— вентилятор подачи воздуха на горение; 18 — подача топлива
Подготовленные и разбавленные воздухом продукты горения топлива — сушильный агент, подаются в камеру 6 и поступают в сушильный барабан, где ассимилируют влагу материала. Отработанный сушильный агент отбирается из камеры 11 и поступает на очистку в батарейный циклон 12. После очистки отработанный сушильный агент вентилятором 13 выбрасывается в атмосферу. Для более тщательной очистки отработанного сушильного агента во избежание загрязнения окружающей среды применяют двухстадийную очистку, для чего устанавливают последовательно второй батарейный циклон либо рукавный фильтр.
Металлический корпус барабана для повышения экономичности сушки снабжают внутренними насадками. Так в целях улучшения процессов теплообмена и сушки внутренняя полость барабана разделяется на ячейки. Ячейковая насадка (рисунок 2) применяется для сушки материала, способного к пылеобразованию. Принцип ее работы заключается в следующем. Перед насадкой устанавливают лопасти, которые распределяют материал по ячейкам. Далее материал при вращении барабана движется и пересыпается только в своей ячейке и проходит весь барабан, не попадая в другие ячейки. При таком движении, например глины, высота ее падения в ячейке меньше, чем в барабане без ячеек, поэтому количество образуемой пыли значительно уменьшается.
Рисунок 2 – Ячейковая насадка для сушильного барабана
При сушке материалов в барабане основное количество теплоты от сушильного агента материалу передается конвекцией во время пересыпания. При увеличении степени загрузки барабана материалом возможность пересыпания его сокращается. Вместе с этим уменьшается поверхность материала, омываемого сушильным агентом, и уменьшается интенсивность сушки. Поэтому оптимальным условием загрузки, по экспериментальным данным, считают заполнение объема барабана материалом не более чем на 15—20%. Кроме того, материал получает теплоту от нагретых устройств барабана за счет теплопроводности. Конструкции барабана и поверхность материала получают теплоту за счет излучения.
Барабанные сушильные установки, как указывалось, могут работать по прямотоку и противотоку. Выбор того или иного принципа для сушки строительных материалов имеет большое значение. Для примера сравним условия теплообмена между сушильным агентом и материалом для сушильных установок (рисунок 3), одна из которых (рисунок 3, а) работает по прямотоку, другая (рисунок 3, б) — по противотоку. Пусть в обе сушильные установки подаются сушильный агент с одинаковой начальной температурой tc.a и один и тот же материал также с одинаковой температурой tм. Отложим на схеме 3, а в координатах t, °C, и l (длина установки) tc.а и tм. Проходя через барабанную сушилку в одном направлении с материалом, сушильный агент ассимилирует влагу, отдает теплоту материалу, нагревает его до t'м и с температурой t'с.а удаляется из установки. Данная установка работает по прямотоку.
На схеме 3, б в аналогичных координатах t, °С, и l отложим те же величины tc.а и tм. Проходя через аналогичную сушильную установку, только навстречу материалу, сушильный агент также ассимилирует влагу и отдает теплоту материалу, нагревает его, но уже до температуры tм``, а сам с температурой t"c.a удаляется из установки. Установка работает по противотоку.
Рисунок 3 - Схема изменения температур материала и сушильного агента в барабанной сушильной установке
а — при прямотоке; б— при противотоке
Сравнивая работу установок, отметим, что температура выходящего (отработанного) сушильного агента t"c.a (противоток) ниже, чем температура отработанного сушильного агента t'c.a (прямоток). Следовательно, использование тепловой энергии при противотоке более полное. Однако материал при противотоке нагревается значительно выше, чем при прямотоке. Указанный принцип нагрева и служит основой для выбора установок при различных требованиях технологии. Например, при сушке гипсового камня во избежание нагрева выше 170°С его необходимо сушить по прямотоку. По принципу прямотока сушат и глину, дабы не подвергнуть ее дегидратации. Песок, щебень и ряд других материалов сушат по противотоку.
Барабанные сушильные установки при проектировании подбирают из расчета удельного объемного напряжения по влаге. Выбираемое удельное объемное напряжение зависит от способности материала к пылеобразованию. Чем больше его способность к пылеобразованию, тем меньше удельное объемное напряжение можно допускать при сушке. Указанное объясняется увеличением объемного напряжения по влаге и расхода сушильного агента при большей скорости его движения по барабану, что требует создания большего отрицательного давления (разрежения) в установке.
Например, высушенная глина выносится из сушилки с отработанным сушильным агентом при большой его скорости. Наоборот, при сушке щебня можно создавать большую скорость сушильного агента и щебень уноситься не будет. Следовательно, для глины необходимо незначительное объемное напряжение по влаге. По практическим данным, оно не должно превышать 50 кг/(м3*ч). Для сушки щебня, наоборот, объемное напряжение по влаге может достигать 120 кг/(м3*ч) и более.
Ориентировочный расход теплоты в барабанных сушилах составляет 4200 — 5800 кДж/кг испаренной влаги.
2 Расчет сушильного барабана
2.1 Исходные данные для проектирования
В задании необходимо запроектировать сушильный барабан для сушки гранул производстве керамзита. Производительность сушилки Пг=100 000 м3/год.
Сушка производится топочными газами, получаемые при сжигании природного газа, и разбавленными атмосферным воздухом в смесительной камере перед входом их в барабан. Начальные параметры дымовых газов : температура t1 = 800ºС и влагосодержание d1=61 г/кг сухого воздуха.
Начальная влажность гранул wн = 20 %; конечная wк = 12 %; плотность материала ρ=1800 кг/м3; материал поступает в камеру прогретым до tн = 20ºС; температура материала при выходе составляет tн = 100ºС; температура отработанного газа tн = 120ºС.
2.2 Технологический расчет
1. Размеры сушильного барабана
Количество влаги, удаляемой при сушке глины:
. (1)
Часовая производительность:
(ρ=1800 ) (2)
Годовой фонд рабочего времени:
час (3)
где ДВ, ДП и ДК – соответственно дни воскресенье, праздничные и дни, предусмотренные на капитальный ремонт;
ФГ = (365 – (53+10+18))*24*0,9 = 6135 ч.
Принимаем напряженность объема барабана по влаге равной m0 = 50 кг/м3*ч, тогда необходимый внутренний объем барабана без учета заполнения его перегородками (8 – 10%):
.
По данному объему подбираем барабан длиной L=12м и диаметром D=2,8м. Внутренний объем барабана составляет Vб=74 м3.
Проверим объем барабанного сушила. Принимаем объемный коэффициент теплоотдачи αV=200 Вт/м3 * ºС.
Расход тепла на нагрев материала:
qм=Рч*см*(tк - tн), кДж/ч (5)
где см – теплоемкость высушенного материала при конечной влажности , кДж/кг* ºС.
см =сс
, кДж/кг* ºС
где сс – теплоемкость абсолютно сухого материала, кДж/кг* ºС.
сс=0,921
см =0,921 .
qм=29340*1,31*(100 - 20)=3074832 кДж/ч.
Полезный расход тепла на сушку:
Q=(2493+1,97tк–4,2t`м)0,278n+
Q=(2493+1,97*120 – 4,2*20 )0,278*2934+0,278*3074832= 3012529 Вт.
Средняя логарифмическая разность температур:
∆tн=780º, ∆tк=20º, ∆t=210º.
Объем барабана:
, м3
где kб=1,1 – коэффициент, учитывающий долю объема барабана, занятого лопастями.
м3.
Соответственно подбираем барабан длиной L=14м и диаметром D=2,8м. Внутренний объем барабана составляет Vб=86,2 м3.
2. Производительность барабана
Фактическая производительность по высушенной глине:
. (9)
При заданной производительности Рч=29340 кг/ч напряженность барабана по влаге составит m0=34 кг/м3*ч.
2.3 Тепловой расчет
1. Расчет начальных параметров сушильного агента
Количество испаренной в сушилке влаги w=2934 кг/ч.
Количество влажной глины, поступающей в сушилку:
G=Рч + w = 32274 кг/ч. (10)
Составляем тепловой баланс сушилки. Топливо – природный газ (месторождение Бухара - Урал): СН4=94,2%, С2Н6=3,2%, С3Н8=0,4%, С4Н10=0,1%, С5Н12=0,1%, N2=0,9%, СО2=0,4%.
Qнр=8770 ккал/м3.
Теоретическое количество сухого воздуха для сжигания 1 кг топлива
L0=0,0476(2 СН4+3,5 С2Н6+5 С2Н6+6,5 С4Н10+8 С5Н12) (11)
Высшая теплота сгорания топлива:
Qвр= Qнр+600Σ
СmНn
Qвр=10100 ккал/м3.
Общий коэффициент избытка воздуха. Необходимый для получения газов с tг=800 ºС:
, (13)
где ηт =0,95 – к. п. д. топки; ст=0,32 ккал/кг*град – теплоемкость
газообразного топлива; t=20°C – температура
газа; сс.г = 0,27 ккал/кг*град – теплоемкость
сухого газа при t=800°C; in=595+0,47*800=1018 ккал/кг (0,47 ккал/кг*град
– приблеженное значение удельной теплоемкости
пара); Wт=0 – вес водяного пара. Содержащегося
в газе; d0=10 г/кг сухого воздуха – влагосодержание
наружного воздуха при t=20°C; l0=10,7 ккал/кг – энтальпия воздуха.
α = 3,99
Плотность газа:
Ρ=
Процентное массовое содержание составляющих газа:
СН4=
С2Н6=5,7%
С3Н8=1%
С4Н10=0,3%
С5Н12=0,43%
Σ
Вес сухих газов:
GС.Г=39,48 кг/кг топлива
Вес водяных паров:
кг/кг топлива
Влагосодержание газов на входе в сушилку:
d1=1000*
d1=1000* г/кг сух.газов
Энтальпия топочных газов, входящих в сушилку:
, ккал/кг сух. газа
ккал/кг сух. газа = 1064 кДж/ кг сух. газа.
2. Теоретические значения
Перед входом в сушилку смесь топочных газов с воздухом характеризуется энтальпией I1=254 ккал/кг сух. газа = 1064 кДж/ кг сух. газа, tн=800°C и влагосодержанием d1=61 г/кг сух.газа. Конечная температура газов tк=120°C Конечное значение d2 находим по Id – диаграмме, d2=320 г/кг сух.газа.
Расход сухих газов для теоретического процесса сушки:
, кг сух. газ./ч. (18)
, кг сух. газ./ч.
3.Потери теплосодержания газов в процессе сушки. При действительном процессе сушки будут потери тепла в окружающую среду через стенки сушильного барабана и расход тепла на нагрев сушимого материала. Общие тепловые потери будут составлять:
qпот= qм+ qокр , кДж/ч (19)
Расход тепла на нагрев материала был определен ранее :
qм=29340*1,31*(100 - 20)=3074832 кДж/ч.
Потери тепла через стенки в окружающую среду:
qокр= , кДж/ч (20) где (tгаз- tвоз) – разность температур газов рабочего пространства сушила и окружающего воздуха, град; α1 – коэффициент теплоотдачи от сушильных газов к стенкам внутри рабочего пространства; Σ S/λ – сумма тепловых сопротивлений отдельных слоев барабана сушила; S – толщина слоя, м; λ – коэффициент теплопроводности, Вт/м*град; α2 – коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стенок в окружающую среду.
α1=100 Вт/м2*°С,
S1=0,012 м,
λ 1=58,2 Вт/м*град (стальной корпус),
S2=0,2 м, (тепловая изоляция из диатомита ρ=750 кг/м3)
λ 2=0,2 Вт/м*град,
tвоз=20°С.
Температура газов внутри барабана:
где tср.м= tн.м + 2/3(tк.м – tн.м).
tср.м=73,3°С.
°С.
Поверхность барабана при L=14 м и D=2,8 м составляет:
F = π*D*L, м2 (22)
F = 3,14*2,8*14 = 123,1 м2
qокр= кДж/ч
qпот=3074832 + 541425 = 3616257 кДж/ч
Потери теплосодержания будут равны:
, кДж/кг сух.газ. (23)
кДж/кг сух.газ.
4. Действительный процесс сушки на I–d – диаграмме.
Конечные параметры действительного процесса сушки:
tк=120°C
d2=230 г/кг сух.газа.
Действительный расход газов на сушку будет равен:
, кг сух. газ./ч.
, кг сух. газ./ч.
Расход тепла на сушку находим по формуле:
Q=Gгаз(Iн` - Iвоз)-4,2ntм, кДж/ч (25)
Q=17361*(254 – 10,7)*4,19 - 4,2*2934*20 =12575875 , кДж/ч
Расход тепла в топке:
Qтоп=12575875/0,95 = 13237763 кДж/ч
Удельный расход тепла на сушку, отнесенный к 1 кг испаренной влаги, будет равен:
qw=12575875/2934 = 4286 кДж/кг вл.
5 Автоматизация
В настоящее время существует много различных систем регулирования режима сушки керамзитовых гранул. Основным регулируемым параметром является температура сушки.
К системам автоматического регулирования сушки керамзитовых гранул предъявляется ряд требований, из которых главными являются:
- обеспечение заданной точности
и стабильности регулирования
температурного режима по
- обеспечение непрерывного
- простота монтажа и
- максимальная экономичность [3]
4 Охрана труда и техника безопасности
Условия труда при эксплуатации сушильных установок регламентируются соответствующими правилами и инструкциями. Контроль за соблюдением правил и инструкций по охране труда и технике безопасности осуществляется органами государственного надзора и общественными организациями, которые и разрабатывают эти нормы.
Согласно действующим нормативам, в цехах, где размещаются тепловые установки, необходимо иметь: паспорт установленной формы с протоколами и актами испытаний, осмотров и ремонтов на каждую установку; рабочие чертежи находящегося оборудования и схемы размещения КИП; исполнительные схемы всех трубопроводов с нумерацией арматуры и электрооборудования; инструкции по эксплуатации и ремонту. В таких инструкциях должно быть краткое описание установок, порядок их пуска, условия безопасной работы, порядок остановки, указаны меры предотвращения аварии. Кроме того, инструкции должны содержать четкие указания о порядке допуска к ремонту установок, о мерах безопасного обслуживания и противопожарных мероприятиях.
На стадии проектирования
предусматриваются нормы
Проектировать сушила, в которых используются продукты горения топлива, разрешается только при давлении менее атмосферного (разрежение).
Оборудование тепловых установок проектируют с ограждением, а его включение в работу должно сопровождаться звуковой и световой сигнализацией. Площадки для обслуживания, находящиеся выше уровня пола, оборудуют прочным ограждением и сплошной обшивкой по нижнему контуру.
Отопление и вентиляция цехов, в которых устанавливают тепловые установки, необходимо рассчитывать с учетом выделения теплоты, испарения влаги и выделения пыли. Электрооборудование тепловых установок проектируют с заземлением. Все переносное освещение делают низковольтным.
Электрооборудование тепловых установок должно быть запроектировано с ограждением и заземлением.
При эксплуатации тепловых установок в цехах, где они расположены, кроме соблюдения требований, упомянутых в общих положениях, обязательно должны быть вывешены на видном месте инструкции по правилам эксплуатации установок и охране труда. Весь обслуживающий персонал тепловых установок допускается к работе только после изучения, а также после обязательного документального оформления проверки его знаний.
При использовании в качестве сушильного агента продуктов горения топлива не допускается работа сушильных установок на избыточном (сверх атмосферного) давлении.
При использовании продуктов горения в установках работающих на разрежении, необходимо следить за плотностью каналов, подводящих и отводящих теплоноситель, за надежной вентиляцией сушильных цехов. При загрузке и разгрузке материала необходимо обращать особое внимание на то, чтобы продукты горения не попадали в цех через открытые двери туннелей.
Все вентиляционное хозяйство сушильных цехов должно иметь надежное ограждение и сигнализацию о пуске. Электроприводы кроме ограждения должны быть надежно заземлены.
Ремонтные работы непосредственно в сушильных установках можно проводить только в специальных костюмах и в кислородной маске. При ремонте сушил, работающих на горячем воздухе, вместо кислородной маски допускается специальная охлаждающая маска, ношение которой обязательно при работе в туннелях, камерах, каналах, т. е. там, где температура превышает 40°С.