Охладитель кипящего слоя

0,785·0,042²·636=0,88

  10,5 – 100

0,88 – х

%

Живое сечение решетки незначительно  отличается от принятого ранее.

2.9. Гидравлическое сопротивление слоя и решетки.

Гидравлическое сопротивление  слоя определяется по уравнению:

,

где =1500 – плотность продукта, кг/м³;

=0,2 – порозность неподвижного слоя (см. п. 2.4);

=0,55-0,6 - высота неподвижного слоя, м (см. п. 2.5);

(~647

(~706

Гидравлическое сопротивление (потеря напора в потоке легкой фазы) лишь немного превышает вес тяжелой фазы , отнесенный к площади сечения решетки . Это незначительное превышение составляет обычно 1-2% от и связано с потерей напора на преодоление сил трения частичек.

,

Ранее масса твердого материала  на решетке определена в количестве 6900-7600 кг в зависимости от высоты слоя =550-600 мм (см. п. 2.5).

Тогда

 (657

(724

(

Расчеты показывают, что гидравлическое сопротивление слоя может изменяться в пределах ~ 645-730 мм.вод.ст.

Гидравлическое сопротивление  в газораспределительной решетке  можно определить по уравнению [3, c.102]:

  ,

где - доля живого сечения решетки, =0,088 (8,8%);

- скорость потока в отверстиях  решетки,  =15 м/с (см. п. 2.8);

- коэффициент сопротивления  решетки, зависящий от отношения  ,

где - толщина решетки, м.

По графику  определяем =0,62

(~35

Максимальное гидравлическое сопротивление  охладителя:

(~770

2.10.Конструктивное оформление  системы водяного охлаждения

Из возможности размещения теплообменных  блоков в охладителе устанавливается четыре охлаждающих блока. В блоках используется трубка охлаждения Ø22х2,5 мм. Длина трубки ~1500 мм каждая. Трубки располагаются по вертикали в 24 ряда, по горизонтали 10 рядов, соединенных между собой калачами. Таким образом, получаем 24 сварных изогнутых трубы.

принимаем .

Фактическая поверхность теплообмена  водяного охлаждения: 25х4=100 .

Номинальный расход воды на один блок:

(0,01 )

Максимальный расход:

(0,014 )

Вода в блок поступает через 2 патрубка D_у 80.

Скорость движения воды в патрубках максимальная:

Скорость приемлемая, близка к рекомендуемым.

Скорость движения воды в трубках  максимальная:

В режиме номинального расхода воды:

,

где   0,017 – внутренний диаметр  трубки, м;

24 – число трубок в блоке,  через которые поступает секундный  расход воды на один охлаждающий  блок.

2.11. Тепловой баланс охладителя.

Расчет производится по летним условиям.

2.11.1. Теплообмен между кипящим слоем и погруженной в него поверхностью.

Различают три основных вида теплообмена  в кипящем слое:

• Теплообмен между зернами (частицами) и газовым потоком.
• Теплоперенос из одного участка кипящего слоя в другой. В рассматриваемом случае этот вид теплообмена исключается, т.к. среда в охладителе движется от входа к выходу в режиме, приближающемся к идеальному вытеснению.
• Теплообмен между кипящим слоем и твердыми поверхностями (теплообменными трубками).

Следует отметить, что теплоотвод от продукта за счет теплообмена между частицами и газовым потоком составляет незначительную долю общего баланса теплоотвода, порядка ~30-35%. Остальная часть тепла продукта отводится через теплообменные трубы, расположенные в кипящем слое, за счет охлаждения водой.

2.11.2. Для расчета теплового баланса приняты следующие данные:

Расход охлаждаемого продукта, т/ч  80

Расход воздуха, м³/ч    40000

Температура продукта, °С

начальная  100-110(принимаем 110)

конечная   40

Температура воздуха начальная, °С  30

Температура воды начальная, °С  25

Конечная температура воздуха  и воды определяется из теплового  баланса.

Расходом воды на охлаждение задаемся из определения скорости в трубах. рекомендуется выбирать скорости не более 1,5-2,0 м/с. Тогда при ω_тр = 1,5 м/с получим номинальный расход воды на блок:

где d_вн – внутренний диаметр трубки, м;

n – количество трубок.

Номинальный объем воды на аппарат: 4*30 = 120 м³/ч.

Максимальный расход воды при скорости 2 м/с на блок:

G_воды=2*0,785*0,017²*24*3600=49,94≈50м³/ч

Максимальный расход воды на аппарат:4*30=200 м³/ч.

Проведем расчет без пылеуноса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.11.3. Приход тепла.

С материалом:

,

где 0,9 – теплоемкость песка,

С воздухом:

С водой:

Всего – 6091,7

Расход тепла.

С материалом:

С воздухом:

С водой:

Без учета потерь в окружающую среду  приравниваем :

Принимаем температуру воды на выходе из теплообменников  =30°С, тогда:

°С

Принимаем температуру воздуха 83°С.

2.11.4. Анализ теплового баланса.

Тепло, уносимое воздухом:

Тепло, уносимое водой:

Суммарный теплоотвод:

Теплосъем с продукта:

Расхождение баланса:

Доля теплоотвода за счет воздуха:

 или 50,05%

Доля теплоотвода за счет охлаждения водой:

 или ~ 49,95%

Разность температур, на которую  нагреется вода, составит:

Температура воды на выходе из аппарата:

Разность температур, на которую  нагреется воздух, составит:

Температура воздуха на выходе из аппарата:

2.12. Оценка поверхности  теплообмена водяного охлаждения.

2.12.1. Коэффициент теплоотдачи α₁ от кипящего слоя к погруженной в него поверхности (трубки охлаждения).

Литература по оценке величины α₁ весьма обширны, в частности можно указать на источники [2, 4, 5], в которых α₁ оценивается величиной в среднем α₁=350 Вт/м²°С.

2.12.2. При вынужденном движении  воды в трубках и каналах α₂=6289 Вт/м²°С.

Проведен уточненный расчет α₂ в трубках с внутренним диаметром трубки d_вн=17 мм (труба Ø22х2,5) и скорости воды в трубках ω_тр=1,5 м/с. Получено значение α₂=6289 Вт/м²°С.

2.12.3. Коэффициент теплопередачи  рассчитывается по формуле:

Полученное значение коэффициента теплопередачи одного порядка со значением, полученным из условий эксплуатации охладителя «Escher Wyss», работающего на мелкозернистом продукте – .

Данные значения коэффициента теплопередачи хорошо корреспондируются с величинами , приведенными в литературе.

Для последующих расчетов возможна оценка коэффициента теплопередачи  от кипящего слоя к воде ~ 300 .

2.12.4. Средняя разность температур:

 

 

 

 

 

 

∆t_б=80

∆t_м=15

 

 

Определение средней разности температур по противоточной схеме оправдано, т.к. режим движения материала приближается к идеальному вытеснению (L>>B), а охлаждающая жидкость подается параллельно по длине аппарата через несколько охлаждающих блоков.

2.12.5. Требуемая поверхность теплообмена  для проведения процесса охлаждения  при производительности охладителя 80 т/час.

Количество тепла, отводимого водой – 699,3 кВт=699300 Вт (Дж/с) .

,

принимаем .

При расчете теплообменников (определении  поверхности теплообмена) полученную в результате теоретического расчета поверхность рекомендуется увеличивать примерно на 15%.

,

2.13. Основные показатели для расчета и конструирования охладителя кипящего слоя для KCl производительностью до 80 т/час.

Производительность охладителя по продукту, т/ч  80

Начальная температура продукта, °С    100-110

Конечная температура продукта, °С    40

Количество охлаждающей воды, м³/ч

номинальный расход    120

максимальный расход   200

Температура охлаждающей воды, °С

начальная: летом    25

конечная     30

Температура охлаждающего воздуха, °С

летом: начальная    30

конечная    83

Количество воздуха начальное, м³/ч    40000 при t=30°С

Количество отработанного воздуха, м³/ч    43000 при t=83°С

Скорость воды в патрубках блока  охлаждения, м/с  1,39

Скорость движения воды в трубках, м/с    1,8 - 1,93

Количество блоков охлаждения – 4

Каждый блок охлаждения содержит 240 трубки Ø 22х2,5, расположенных по 24 трубки в горизонтальном ряду, количество горизонтальных рядов – 10.

В каждом блоке охлаждения по два  подающих патрубка D_у 80 и два отводящих D_у80.

Ориентировочная длина трубок ~ 1500 мм. Нечетные и четные ряды трубок соединены попарно калачами.

Скорость кипения ω_р в пересчете на свободное сечение охладителя:

по исходному воздуху   1,2 – 1,3 м/с

по отработанному воздуху   1,4 – 1,5 м/с.

Скорость в патрубках подачи воздуха ~ 10-12 м/с.

Скорость отработанного воздуха в патрубке отвода ω_от=18-25 м/с.

Общее количество колпачков на плите 636 штук. Диаметр входного отверстия Ø42 мм.

Скорость входа воздуха в отверстия плиты (колпачка), м/с 15

Суммарное сечение отверстий, м²     100.

Живое сечение плиты ~ 8,8%.

Толщина плиты, мм       5

Поверхность теплообмена одного блока  охлаждения, м² 30

Суммарная поверхность теплообмена:

Вес материала на решетке, кг     6900-7600

Высота неподвижного слоя, м     0,55-0,6

Высота взвешенного слоя, м     1,3-1,6

Гидравлическое сопротивление аппарата, Па (мм.вод.ст.) 7730 (770)

3. Расчеты по уносу пыли отработанным воздухом установки охлаждения песка в кипящем слое.

3.1. Теоретическое обоснование  уноса песка из охладителя кипящего слоя.

В техническом задании приведен гранулометрический состав продукта, подлежащего охлаждению с 110°С до 40°С.

Таблица 2.

Гранулометрический состав песка.

0,1-0,63мм

Проведем расчет критической скорости кипения ω_в (скорость начала взвешивания) для трех размеров частиц: d_max=0,63 мм, d_min≤0,1 мм.

Предложено множество формул для  расчета ω_в. Наиболее часто применяют универсальную зависимость А.М. Тодеса [1]:

  (3.1)

где - критерий Рейнольдса;

- критерий Архимеда;

d_ч - диаметр частиц, м;

ρ_г - плотность воздуха, кг/м³;

ρ_ч - плотность песка, кг/м³;

μ_г - динамическая вязкость воздуха, Па∙с;

g=9,81 м/с² - ускорение свободного падения.

Уравнение (3.1) позволяет определить скорость взвешивания ω_в с точностью ± 20%. Оно применимо для моно- и полидисперсных слоев с частицами сферической и неправильной формы в широком диапазоне чисел Re.

Проведем расчет для d_max=0,63 мм.

где 83 – температура отработанного воздуха, °С (см. п.2).