CC BY
8УДК 666.3.047
С.М. УСОВ, инженер-электрофизик ([email protected]), ООО «Стройкерамика» (Новосибирск)
Основные параметры энергосберегающей установки для сушки глины
Одним из путей экономии тепловой энергии в производстве кирпича является возвращение тепла, затраченного на испарение влаги при сушке глины. Сушильные барабаны, применяемые в кирпичной промышленности, не позволяют создать компактное устройство для возращения тепла в силу своего принципа действия.
Цель работы — обоснование применимости устройства (рис. 1), предложенного в [1], для сушки глины при производстве кирпича полусухого прессования. В качестве примера приведены результаты расчета параметров установки для сушки глины в линии производительностью 30 млн шт. кирпича пустотелого/год.
Сушка глины путем непосредственного контакта с нагретой поверхностью теплообменника включает: нагрев до 120оС воды, поступающей под давлением в теплообменник, подачу ее в камеру сушки; загрузку глины и нагрев ее на теплообменнике; направление выделенного пара из герметичной камеры сушки в компрессор для сжатия, с последующей конденсацией его в конденсаторе. Поток воды из теплообменника, подогретый за счет конденсации пара, возвращается через насос и нагреватель в теплообменник сушильной камеры. Излишки горячей воды, образующиеся при конденсации, удаляются через клапан в резервуар. Перемещение глины по многоярусному теплообменнику осуществляется при помощи скребков, движущихся возвратно-поступательно вдоль поверхности теплообменника.
Экспериментальной основой расчета теплообменника служит опытный график (рис. 2), полученный при сушке глины на стенде. Стенд — круглое стальное основание диаметром 0,203 м с ровной поверхностью, по которой с помощью электродвигателя с редуктором движутся скребки, перемещающие и перемешивающие глину. Температура основания 115оС поддерживалась с помощью терморегулятора. Температуру измеряли термопарой, встроенной в основание. Для отслеживания изменения массы глины при сушке стенд с нагревателем установлены на площадку электронных весов. Частота прохождения скребков 27 раз/мин. Начальная масса глины влажностью 17% Grл(17%) = 426 г. Масса абсолютно
сухой глины составила Gr_
354 г. Начальная темпе-
ратура глины: tr_
17оС.
Из опытных данных вычислен удельный средний поток тепловой энергии от нагретой поверхности основания в глину qуд = 6,3 кДж/(с.м2). При вычислении qуд учитывали тепловой поток на прогрев влажной глины до 100оС и тепловой поток на испарение влаги при сушке глины с 17 до 8% относительной влажности. Расчет теплопередачи в щелевом канале теплообменника произведен в соответствии с методикой расчета тонкослойных теплообменных аппаратов [2].
Средний перепад температур между водой и стенкой теплообменника:
АХв.ст %уд/ав.ст ,
где авст — коэффициент теплопередачи вода—стенка теплообменника, авст = А^х^д^щ,, здесь Хв = 2,47кДж/(м.ч.оС) — теплопроводность воды со средней температурой X = 115оС
воды
Эквивалентный диаметр щелевого канала теплообменника:
^экв 2х^канала ,
где бканала = 0,01 м — высота щелевого канала теплообменника.
Для вычисления числа Нуссельта Nu определяется критерий Рейнольдса:
Re = ЮвХ4эквХрв/^в = 1,05.105, где юв = 1,39 м/с — скорость течения воды в канале теплообменника; рв = 950 кг/м3 — плотность воды со средней температурой Хводы = 115оС; = 0,00025 Н.с/м2 — коэффициент динамической вязкости воды.
Значение критерия Рейнольдса ^е >10000) свидетельствует об установившемся турбулентном режиме течения теплоносителя в канале теплообменника. Поэтому число Нуссельта находится из выражения:
Ш = 0,02^е°'8хРг°'43х(Рг/Ргст)Ь'25, где критерий подобия Прандтля для воды со средней температурой Хводы = 115оС равен Рг = 1,5; (Рг/Ргст)0'25«1, так как температура воды и температура стенки мало отличаются. В результате получаем АХвст = 0,7оС.
Перепад температур на стенке теплообменника вычислен с использованием удельного среднего потока от нагретой поверхности в глину qуд через стенку из хромистой стали с теплопроводностью Астто = 25 Вт/(м.оС). Получено АХст = 1,3оС.
100
98
os
96
94
92
90
Рис. 1. Схема работы установки сушки с возвращением в теплоноситель тепла, затраченного на испарение влаги
0 100 200 300 400 500 600 700 Время, с
Рис. 2. График изменения массы глины при сушке на стенде
fj научно-технический и производственный журнал
® апрель 2011 25
Тепловые потери через теплоизоляцию устройства сушки Qт.у.с рассчитаны для площади теплоизолированной поверхности установки 200 м2, толщины теплоизоляции 0,05 м и теплопроводности теплоизолятора корпуса установки Хтус = 0,04 Вт/(м.оС).
Мощность электродвигателя водяного насоса вычисляется по перепаду давления, равному сумме потери напора при движении воды в канале и поворотах теплообменника [2], давления водяного столба в теплообменнике, с учетом КПД насоса и электродвигателя [3].
Мощность электродвигателя для привода компрессора вычисляется по разности конечного (при 120оС) и начального (при 100оС) теплосодержаний водяного пара, умноженной на массу сжимаемого пара с учетом КПД компрессора и электродвигателя [4].
Для минимизации содержания воздуха камера сушки должна быть герметичной. Давление пара в камере сушки поддерживается равным атмосферному. Изготовление и эксплуатация герметичной камеры не являются технически сложной задачей. Малое количество воздуха в паровоздушной смеси (0,6%) позволяет применить достаточно простой способ конденсации пара на водяных струях. По принципу работы конденсатор является противоточ-ным паровым контактным подогревателем воды [5], в котором нагреваемый и охлаждаемый потоки вступают между собой в непосредственный контакт.
Пар, сжатый в компрессоре, движется вверх, навстречу струям воды, которая отдав часть тепловой энергии в теплообменнике камеры сушки, нагревается за счет конденсации пара. Для расчета конденсации пара на струях воды в присутствии неконденсирующихся газов использована зависимость [5]:
Шп-гв.вх)/(гп-гв.вых))=0,053хнх
Х(1-Е)7/(Рг°.62)Х[(юпЮв)2Хрп/^0)]1/3,
где е — отношение массы воздуха к суммарной массе воздуха и пара на каждой ступени конденсатора; 1ввх — температура воды на входе ступени конденсатора; 1ввых — температура воды на выходе ступени конденсатора; 11п = 120оС — температура насыщения пара, подаваемого от компрессора; юп — скорость парогазовой смеси для каждой ступени конденсатора; юв =1 м/с — средняя скорость воды в струях; ст = 0,0057 кг/м — коэффициент поверхностного натяжения воды при температуре 115оС; рп = 0,89 кг/м3 — плотность пара при температуре 120оС; dQ = 8 мм — начальный диаметр струй; Н — средняя высота падения струй ступени конденсатора; Рг = 1,5 — число Прандтля для воды при температуре 115оС.
По этой формуле рассчитывается конденсация пара на струях воды для каждой ступени конденсации. Для начала вычисляется температура воды на выходе из нижней ступени конденсатора при условии суммарной конденсации во всех ступенях 99% пара. Затем определяется количество сконденсированного пара. После определения е и юп для следующей выше ступени цикл расчета конденсации повторяется. Таким образом, просчитывается конденсация пара на всех ступенях конденсатора (рис. 3). Высота каждой ступени конденсации в расчете принята 0,1 м.
При использовании топливного нагревателя необходимо учесть потери тепла с отходящими газами [6]:
^.г.нагр = ВнагрХ1;о.гХ(Уп.гХСп.г+^Х(авозд — 1)ХСвозд^
где 1о.г = 200оС — температура отходящих газов нагревателя; Уп.г = 8 м3/кг — объем продуктов горения топлива; Спг = 1,46 кДж/(м3.оС) — теплоемкость продуктов горения; У0 = 7,7 м3/кг — расход воздуха для горения топлива; авозд = 1,2 — коэффициент избытка воздуха для горения топлива; Свозд = 1,38 кДж/(м3.оС) — теплоемкость воздуха; Внагр = QTOпЛ/Qр = 0,021 кг/с — количество топлива для нагревателя; здесь Qo.г.нагр = Qу.с - QкoмпP - Qнас = 594 кДж/с — теплота, потребляемая установкой от нагревателя; Qр = 29300 кДж/кг — низшая теплотворность
Таблица 1
Значения материальных потоков установки
Наименование материального потока Обозначение Значение
Поток глины на входе устройства сушки рвх.к.с 3,9 кг/с
Скорость испарения влаги из глины в камере сушки р 0,35 кг/с
Поток воды через теплообменник камеры сушки р 33 кг/с
Скорость течения воды в канале теплообменника юв 1,39 м/с
Отношение массы воздуха к суммарной массе воздуха и пара на входе в компрессор Е0 0,006
Поток условного топлива для нагревателя установки в нагр 0,021 кг/с
Таблица 2 Значения энергетических потоков установки1
Наименование энергетического потока Обозначение Значение
Поток энергии на прогрев испаряемой воды до 100оС2 Q ^прогр.в 146 кДж/с
Поток энергии на испарение воды в камере сушки Q ^пара к.с 795 кДж/с
Количество тепловой энергии, запасаемое глиной в камере сушки2 Q ^гл.к.с 431 кДж/с
Поток тепла в глину от теплообменника Qт.о 1372 кДж/с
Поток тепла при удалении излишков горячей воды из конденсатора устройства сушки в резервуар Q ^в рез 172 кДж/с
Тепловые потери через теплоизоляцию устройства сушки Qт.у.с 12 кДж/с
Суммарное потребление тепловой энергии установкой Qу.с 615 кДж/с
Расчетная мощность электродвигателя водяного насоса NN 4,8 кВт
Тепловой эффект от действия водяного насоса Q ^нас 4,2 кДж/с
Расчетная мощность электродвигателя для привода компрессора 20 кВт
Тепловой эффект от действия компрессора Q ^компр 17 кДж/с
Потребление тепловой энергии установкой от нагревателя Q нагр 594 кДж/с
Потери тепла с отходящими газами нагревателя Q о.г.нагр 59 кДж/с
Теплота сгорания от топлива в нагревателе после учета потерь с отходящими газами Q топл 653 кДж/с (1866 кДж/ кг)
Примечания: 1 Для пересчета энергетического потока из кДж/с в кДж/кг делим его значение на 0в.исп.к.с=0,35 кг/с. 2 Полагаем температуру глины на входе в сушку 0оС.
научно-технический и производственный журнал £J\±Jг\i>\'::
26 апрель 2011 Ы ®
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 Суммарная высота струй воды, м
Рис. 3. График конденсации пара на струях воды от нижней ступени конденсатора до верхней
рабочего топлива (условное топливо). В результате вычисления получено Qo.i-.Harp = 59 кДж/с.
В табл. 1—4 приведены основные параметры установки для сушки глины от 18 до 9% влажности.
Затраты тепловой энергии в устройствах сушки слагаются из затрат на испарение воды, составляющих 2260—2380 кДж /кг влаги при температуре поверхности испарения 100—50оС, нагрев влажного материала, потери с отходящими газами и через теплоизоляцию корпуса устройства сушки. Общие затраты тепловой энергии при работе сушильных барабанов достигают 5900 кДж/кг влаги [7]. Для сушильного барабана почти все затраты являются невозвратными.
Общие затраты тепловой энергии в устройстве сушки (рис. 1), включая потери с отходящими газами, составляют 653 кДж/с, или 1866 кДж/кг влаги, испаренной из глины.
Из 653 кДж/с около 431 кДж/с аккумулируется в нагреваемой глине, что является резервом для экономии тепла при сушке кирпича-сырца (температура глины на выходе из сушки 100оС), если формовать кирпич из горячей шихты без доступа воздуха. При наличии излишков тепловой энергии в сушильно-обжиговой печи эту тепловую энергию можно вернуть в установку для сушки глины. При таком построении технологической линии для производства кирпича невозвращенными затратами при сушке глины являются 34% общих затрат тепловой энергии, что в 10 раз меньше, чем при использовании сушильного барабана.
Ключевые слова: сушка глины, энергосбережение.
Список литературы
1. Усов С.М. Способ сушки сыпучих материалов и камера сушки для него. А. с. № 2348875 РФ // Опубл. 10.03.2009. Б.И. №7. С. 1102.
2. Тарасов Ф.М. Тонкослойные теплообменные аппараты. М.—Л.: Машиностроение, 1964. 363 с.
3. Теплотехнический справочник / Под ред. В.Н. Юрене-ва и П.Д. Лебедева. Т.1. М.: Энергия, 1975. 743 с.
4. Гельперин Н.И. Выпарные аппараты. М.—Л.: Госхимиздат, 1947. 380 с.
5. Разладин Ю.С., Сагань И.И., Стабников В.Н. Использование вторичных энергоресурсов в пищевой промышленности. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. 231 с.
6. Справочник по производству строительной керамики / Под. ред. М.О. Юшкевича. М.: Госстройиздат, 1961. Т.1. 464 с.
7. Шлегель И.Ф. Агрегат подготовки сырья // Строит. материалы. 2002. № 2. С. 2.
ИНФОРМАЦИЯ
Научно-технический семинар
«Современный торкрет-бетон. Технология ремонта, восстановления и усиления строительных конструкций зданий и сооружений»
4 марта 2011 г. в Московском государственном строительном университете состоялся научно-технический семинар, посвященный особенностям использования торкрет-бетона в современных условиях при реконструкции и новом строительстве. Организаторами семинара выступили Институт строительства и архитектуры МГСУ, кафедра технологии строительного производства, Ученый совет отделения строительных наук РААСН.
В работе семинара приняли участие специалисты ОАО «НИИЖБ им. А.А. Гвоздева», ОАО «ЦНИИС», ОАО «ЦНИИПромзданий», а также представители академического сообщества, работающие в области технологии торкретирования.
В рамках семинара был представлен ряд докладов представителей строительных компаний, научно-исследовательских и проектных институтов.
Выступление С.М. Баева, генерального директора ЗАО «Служба защиты сооружений», было посвящено современному состоянию технологии торкретирования в России и мировому опыту применения торкрет-бетона. Были освещены особенности современных технологий нового строительства, а также реконструкции и восстановления строительных конструкций
с использованием технологии торкретирования. В докладе было подчеркнуто, что преимущество торкретирования перед другими технологиями состоит в полной механизации процессов, возможности обработки вертикальных и потолочных поверхностей без опалубки и вибрирования и быстрым вводом в эксплуатацию отремонтированных зон за счет интенсивности набора прочности в условиях высоконапорного уплотнения.
Доклад заведующего сектором коррозии бетона ОАО «НИИЖБ им. А.А. Гвоздева» д-р техн. наук Н.К. Розенталя был посвящен коррозионному разрушению бетона конструкций и адекватным методам и технологиям ремонта. С результатами экспериментального исследования 48 составов торкрет-бетона присутствующих ознакомил заместитель заведующего лаборатории НИЦ «Строительных материалов и изделий» канд. техн. наук В.П. Иванов. В его сообщении были даны практические рекомендации по применению технологии торкретирования в работах по ремонту и усилению конструкций объектов транспортной инфраструктуры.
Заведующая лабораторией ОАО «НИИЭс» канд. техн. наук Т.А. Затворницкая выступила с докладом на тему «Применение торкретбетона для ремонта гидромеханических сооружений». Теоретическим основам уникальных характеристик и области применения фибро-торкрет-бетона было посвящено информационное сообщение канд. техн. наук Ф.Н. Рабиновича.
В открытой дискуссии были отмечены современные проблемы применения технологии торкретирования для ремонта, восстановления и усиления строительных конструкций зданий и сооружений. Также была обоснована необходимость разработки нормативной и технической документации по применению торкрет-бетона на объектах морского, железнодорожного и автомобильного транспорта.
По материалам Московского государственного строительного университета
Г; научно-технический и производственный журнал
^ ® апрель 2011 27~
