Методика технологического и конструктивного расчета барабанной сушильной установки

Сушка — одна из ключевых и наиболее энергозатратных стадий технологического процесса, напрямую влияющая на качество готовой продукции, будь то минеральные удобрения, строительные материалы или пищевые концентраты. Хотя предварительное обезвоживание часто проводят более экономичными механическими способами, такими как центрифугирование или фильтрация, именно тепловая сушка позволяет достичь требуемых кондиций по влажности. Среди многообразия сушильного оборудования барабанные сушилки занимают особое место как надежное и эффективное решение для непрерывной обработки сыпучих, кусковых и зернистых материалов. Целью данной курсовой работы является выполнение технологического и конструктивного расчета барабанной сушильной установки для осушки заданного материала с исходной влажностью до конечной, что требует глубокого понимания теоретических основ процесса.

1. Теоретические основы, определяющие выбор и расчет оборудования

Чтобы инженерное решение было осмысленным, необходимо понимать фундаментальные принципы процесса. Сушка — это сложный тепло- и массообменный процесс, классифицировать который можно по способу подвода теплоты к высушиваемому материалу. Выделяют несколько основных видов:

• Конвективная сушка — тепло передается от движущегося горячего газа (сушильного агента) непосредственно к материалу. Это самый распространенный тип, к которому и относятся барабанные сушилки.
• Контактная сушка — материал соприкасается с нагретой поверхностью.
• Терморадиационная (инфракрасная) сушка — тепло передается инфракрасным излучением.
• Специальные виды сушки: микроволновая, сублимационная, акустическая, используемые для специфических материалов и условий.

В рамках курсового проектирования мы фокусируемся на конвективном методе. Инженер при работе с сушильным оборудованием решает одну из трех типовых задач:

1. Проектная задача: выбор типа и расчет основных размеров сушилки для заданных производительности и свойств материала (наша текущая цель).
2. Практическая задача: определение нового режима работы существующей установки при изменении параметров сырья или требований к продукту.
3. Экспериментальная задача: определение кинетических характеристик процесса сушки для конкретного материала на основе опытных данных.

Любая промышленная сушильная установка — это не просто один аппарат, а комплекс взаимосвязанного оборудования, включающий в себя, как правило, сам сушильный аппарат (в нашем случае — барабан), теплогенератор или калорифер для нагрева сушильного агента, тягодутьевое устройство (вентилятор) для перемещения газа и систему пылеочистки (например, циклон) для улавливания уносимых частиц материала.

2. Устройство и принцип работы барабанной сушильной установки

Барабанная сушилка представляет собой полый цилиндрический барабан, установленный с небольшим углом наклона к горизонту, обычно в пределах 1-4 градусов (0,0175–0,07 рад). Вращение барабану передается от электродвигателя через редуктор и зубчатую передачу со скоростью 5-8 оборотов в минуту. Внутри барабана могут быть установлены специальные насадки (лопасти), которые при вращении пересыпают материал, обеспечивая его лучший контакт с сушильным агентом.

Принципиальная схема работы выглядит следующим образом:

• Влажный материал подается в загрузочную камеру с помощью питателя.
• Одновременно в сушилку поступает горячий сушильный агент (чаще всего топочные газы, смешанные с воздухом), который движется вдоль барабана прямотоком или противотоком по отношению к материалу.
• За счет наклона и вращения барабана материал медленно перемещается от загрузочного конца к разгрузочному, при этом он постоянно пересыпается и контактирует с горячими газами. Влага испаряется.
• Высушенный материал выгружается в разгрузочной камере, а отработанный и насыщенный влагой сушильный агент поступает в систему пылеулавливания (циклон), где из него удаляются мелкие частицы продукта.
• Очищенный газ выбрасывается в атмосферу вентилятором, который также создает необходимое разрежение в системе для предотвращения утечек.

Ключевыми параметрами, влияющими на процесс, являются не только угол наклона и частота вращения, но и коэффициент заполнения барабана (β) — доля объема, занятая материалом. Для жома, например, он составляет 0,178–0,225. Также важна скорость сушильного агента, которую подбирают так, чтобы избежать чрезмерного уноса мелких частиц материала (для жома — в пределах 1,5–2,5 м/с). Стандартизация размеров оборудования по ГОСТ позволяет упростить процесс проектирования и изготовления.

3. Расчетная часть, или Как мы превращаем теорию в цифры

Переход от теории к практике начинается с четкого определения исходных данных. Для полноценного расчета барабанной сушилки необходимо знать:

• Производительность установки по исходному (влажному) или конечному (сухому) материалу.
• Начальную и конечную влажность материала.
• Теплофизические свойства материала (теплоемкость сухого вещества и влаги).
• Параметры окружающей среды (температура и влажность воздуха).

Общая логика расчета строится в два этапа. Сначала мы проводим материальный и тепловой расчеты, чтобы понять, сколько влаги нам нужно испарить, сколько для этого потребуется сушильного агента и тепла. Затем, зная эти потоки, мы переходим к конструктивному расчету, в ходе которого определяем ключевые геометрические размеры аппарата — его диаметр и длину.

3.1. Определение материального баланса и параметров сушильного агента

Это самый объемный и фундаментальный этап расчетов, который закладывает основу для всего проекта. Он выполняется в строгой последовательности.

Шаг 1: Расчет количества испаренной влаги (W). На основе заданной производительности и изменения влажности материала по простой формуле материального баланса определяется, сколько килограммов воды в час должна удалять наша установка. Это ключевой показатель ее эффективности.

Шаг 2: Расчет параметров топочных газов. Определяются состав и теплофизические свойства горячих газов, получаемых в топке при сжигании топлива, которые будут использоваться в качестве сушильного агента. Этот расчет необходим для дальнейшего построения процесса на диаграмме.

Шаг 3: Построение процесса сушки на I-d диаграмме. Это графический метод, который позволяет наглядно представить изменение состояния влажного воздуха (или другого сушильного агента) в процессе сушки. На диаграмме строятся точки, соответствующие начальному состоянию агента, его состоянию после нагрева и конечному состоянию после насыщения влагой в сушилке. Линия, соединяющая эти точки, называется рабочей линией процесса сушки. Этот инструмент позволяет визуально контролировать корректность расчетов и определять ключевые параметры.

Шаг 4: Определение расхода сушильного агента (L). Используя данные материального баланса и параметры, снятые с I-d диаграммы (начальное и конечное влагосодержание агента), вычисляется теоретический, а затем и действительный расход сухого воздуха, необходимый для испарения расчетного количества влаги.

Шаг 5: Расчет расхода тепла и топлива. На основе теплового баланса установки определяется общее количество тепла (Q), которое необходимо подвести для нагрева материала, испарения влаги и компенсации тепловых потерь в окружающую среду. Зная теплотворную способность топлива, рассчитывается его часовой расход. Этот показатель напрямую влияет на эксплуатационные затраты установки.

3.2. Конструктивный расчет для определения главных размеров барабана

Имея на руках данные о количестве сушильного агента, необходимого для процесса, мы можем определить физические размеры аппарата, способного пропустить через себя этот объем газа и обеспечить необходимое время пребывания в нем материала.

Шаг 1: Выбор скорости сушильного агента и коэффициента заполнения. На основе свойств высушиваемого материала (в первую очередь, его фракционного состава) задаются оптимальной скоростью газа в свободном сечении барабана (например, 1,5–2,5 м/с) и коэффициентом заполнения (β).

Шаг 2: Определение диаметра барабана (D). Зная объемный расход сушильного агента и его рабочую скорость, по уравнению неразрывности потока рассчитывается площадь поперечного сечения, а из нее — диаметр барабана.

Полученное значение диаметра обязательно округляется до ближайшего стандартного размера из ряда, регламентированного ГОСТом. Это обеспечивает унификацию и упрощает изготовление.

Шаг 3: Определение продолжительности сушки (τ). Этот параметр может быть определен экспериментально, взят из справочных данных для аналогичных материалов или рассчитан через так называемое напряжение объема барабана по влаге — количество влаги, испаряемой с 1 м³ объема аппарата в час.

Шаг 4: Расчет длины барабана (L). Зная диаметр, коэффициент заполнения и производительность, можно рассчитать объем материала в барабане. Затем, используя продолжительность сушки, определяется необходимый рабочий объем аппарата, из которого, в свою очередь, вычисляется его длина. Соотношение L/D для барабанных сушилок обычно лежит в диапазоне 4-6.

Завершающим этапом конструктивного расчета является определение мощности электродвигателя, необходимой для вращения барабана с заданной массой материала и преодоления сил трения в опорных узлах.

Заключение, или Результаты инженерного проекта

В результате выполненной курсовой работы была спроектирована барабанная сушильная установка, способная обеспечить заданные технологические требования. Путем последовательного выполнения материального, теплового и конструктивного расчетов были определены все ключевые параметры, необходимые для дальнейшей детальной проработки проекта. Основные итоговые характеристики спроектированной установки следующие:

• Производительность по испаренной влаге: [итоговое значение] кг/ч.
• Расход тепла на процесс сушки: [итоговое значение] кДж/ч.
• Расход условного топлива: [итоговое значение] кг/ч.
• Диаметр сушильного барабана (стандартный): [итоговое значение] м.
• Длина сушильного барабана: [итоговое значение] м.
• Установленная мощность электродвигателя привода: [итоговое значение] кВт.

Полученные данные подтверждают, что спроектированное оборудование соответствует поставленной в начале работы задаче и может быть использовано в рамках рассматриваемого технологического процесса.

Список использованной литературы

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии / А.Г. Касаткин. – М.: Химия, 1973. – 784 с.
2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – Л.: Химия, 1981. – 560 с.
3. Чернобыльский И.И., Танайко Ю.М. Сушильные установки химической промышленности. – Киев: Техника, 1969. – 116 с.
4. Справочник химика / сост. Б. П. Никольский, О. Н. Григоров и др. – М. – Л. : Химия,1966. т.5–6. – 973 с.
5. Чернобыльский, И.И. Сушильные установки химической промышленности / И. И. Чернобыльский, Ю. М. Тананайко. – Киев: Техника, 1969. –278 с.
6. Вилькоцкий, А. И. Процессы и аппараты химической технологии / А. И. Вилькоцкий, В. А. Марков, Л. В. Новосельская. – Минск: БГТУ, 2011. – 288 с.
7. Дытнерский, Ю.И. и др. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию. / Ю. И Дытнерский. – М. : Химия, 1991. – 496 с.
8. Калишук, Д.Г. Процессы и аппараты химической технологии. Методические указания к курсовому проектированию по одноименной дисциплине. / Д. Г Калишук, С. К. Протасов, В. А. Марков. – М. : БГТУ, 1992. – 42 с.
9. Справочник проектировщика, ч. 11. Вентиляция и кондиционирование воздуха/ сост. Н. В. Остапчук, А. М. Пизик. – М. : строй. издат., – 1978. – 509 с.