毕业设计(论文)-复式传热回转圆筒干燥器设计.doc

辽宁石油化工大学毕业设计（论文） GraduationProject (Thesis) for Undergraduate of LSHU题 目复式传热回转圆筒干燥器设计TITLEDesign of double heat transfer rotary drum dryer学 院School专业班级Major&Class姓 名Name指导教师Supervisor20 年 月 日论文独创性声明本人所呈交的论文，是在指导教师指导下，独立进行研究和开发工作所取得的成果。除文中已特别加以注明引用的内容外，论文中不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并致谢。本声明的法律结果由本人承担。特此声明。论文作者（签名）： 年 月 日 辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸摘 要随着化学工业日新月异的发展，干燥技术也将更趋近机械化、自动化。而回转圆筒干燥器由于其生产能力适应范围大，动力消耗少，广泛应用于干燥各种颗粒状固体。本文就煤的干燥对回转圆筒干燥器作了一个详细的分析和计算。在加热方式上，选择了复式传热，大大提高了传热效率，从而减小了干燥器庞大这一弱点，另外，本文比较了各种热量传递方式，选择了最优传热；对机械装置作了详细的计算，并选择配套的附属装置，更加完善了设计的完整性。只需改变热风量、热风温度，本文还可用于如化学肥料等固体类的干燥。在设计时，也可以供具有相似热传递或同类装置计算作参考。关键词：干燥，煤，回转圆筒，复式传热。IIAbstractDevelopment changes with each new day which along with the chemical industry, the dry technology also will draw close the mechanization,the automation. But the rotary cylindrical dryer because its productivity adaption scope big, the power consumption are few, widely applies to the dry each kind of granulated solid.This article has made a detailed analysis and computation on the coal to the rotary cylindrical dryer. In heats up in the way, has chosen the duplicate heat transfer, greatly enhanced the heat transfer efficiency, thus reduced the water extractor huge this weakness, moreover, this article has compared each quantity of heat transfer mode, has chosen the most superior heat transfer; Makes music the detailed computation to the mechanism, and choice necessary supplementary installation, more perfect design integrity.Only change the amount of hot wind, and the hot-blast temperature, this article also may use in like the chemical fertilizer and so on solid class dryness. When design, also may the sacrificial vessel have the similar heat transfer or the similar installment computation makes the reference.Key words:dry, coal, rotary cylindry, duplicate heat transfer.目录1 绪论12 设计方案的论证23 主要参数的确定54 干燥器结构设计74.1 内筒体的结构设计74.1.1 结构创新74.1.2 内筒厚度的选取84.1.3 内筒重量的计算94.1.4 弯矩与应力计算104.1.5 筒体变形计算124.1.6 内筒支撑件的设计134.2 外筒体的结构设计154.2.1 外筒体的厚度确定154.2.2 保温层的确定154.2.3 外筒体的载荷计算174.2.4 外筒体弯矩与应力计算194.2.5 弯曲应力计算214.2.6 筒体变形计算214.2.7 筒体安装尺寸计算254.3 滚圈的设计264.3.1 滚圈材料的选择264.3.2 滚圈的结构形式264.3.3 滚圈、拖轮接触应力计算284.4 传动装置的计算314.4.1 电动机的选型314.4.2 减速器的选型334.4.3 齿轮的计算345 结论36参考文献37谢辞381 绪论时代在发展，人类在前进。煤是近现代的主要燃料，取暖、照明、工业无处不用。随着人类对煤的研究，发现了一种叫生物煤的煤混合物，其燃烧效率比较高。生物煤也就是在普通煤均匀地掺入锯末等物料，然后做成煤球，用于燃烧。但是煤的含水量必须较小，才能碎成粉粒，与锯末均匀混合，这样才能被压成结实的煤球。在这个过程中，要使煤的含水量较小，就必须对煤进行干燥。山东某厂家生产生物煤，要求把含水量15%的精煤、尾煤的混合物干燥成含水量小于或等于3%；处理量是3t/h。重点要求处理后的煤含水量一定不能大于3%。对于煤的干燥，在我国也有不少应用，5060年代所用的转筒式、管式、洒落（竖井）式干燥机。7080年代我国引进了沸腾床层式，螺旋式以及我们自己研制的NXG（内部新结构）型转筒式干燥器，取代了一些老设备，效果良好。 针对我国的干燥行业，我查阅了各种相关资料，发现干燥煤的机器外形庞大，而且热利用率不高。所以，本设计主要就是从这两方面入手，从传热、密封和保温诸方面提高设备的热利用率。热利用率已提高，必然会使干燥器的体积减小。 热利用率的高低主要由传热性能的好坏决定，为了改善传热方式，选择了复式转筒干燥器。它既有与气流直接接触的直接传热，也有通过筒壁的间接传热。显然提高了热利用率。转动体与固定体的密封一直困扰着人们的一大问题。密封效果不好，不仅影响热利用率，而且还污染环境。保温层欠佳，不少热量流入了空中，一去不复返。而且还有可能影响到工人和机器的工作环境。对于这几个方面，本设计综合各途径进行最优选择和设计。2 设计方案的论证对于处理量为3t/h，必须用较大型的设备才能达到。而煤不怕被污染，用热烟气就可以直接干燥。回转圆筒干燥器是一种处理大量物料干燥的干燥器。其生产流程图可从图2-1简单的表示。图2-1 回转圆筒干燥器流程图1-燃烧炉2-定泵给料器 3-浸料输送机 4料斗5-干燥器 6斗式提升机 7-旋风除尘器 8-装式除尘器 9-引风机 10-尾气排空烟囱 11-聚胀环干燥器根据被干燥物料的加热方式可分为：直接传热、间接传热、复式传热和蒸汽煅烧等干燥器。而复式传热干燥器具有直接和间接传热的双向特点，在此就采用复式传热干燥器，其工作简图大致为图2-2。图2-2 复式传热干燥器1-燃烧炉 2-排风机 3-外壳 4-十字形管 干燥器主要由外壳及十字断面中央内管所组成。被干燥物料沿着外壳壁和中央内管间的环状空间移动，烟道气自燃烧炉进入中央内管，自左向右流动，并将一部分热量经管壁传给被干燥物料，然后进入并通过环状空间与被干燥物料之间接触，而后又排风机或烟囱排出。使用复式传热回转圆筒干燥器可以减少周围介质的热损失，当湿物料还不可能分散开并剧烈地接受气体中的热量时，能先在热表面上将湿物料强烈地加热，同时利用内圆筒来沉降带来的粉尘和使气体均匀。这样必然提高了热的传导效率。在密封方面，选择了径向迷宫式密封圈。它通过让热气流经弯曲的通道产生流体阻力，是漏风量减少。而且结构简单，没有接触面，不存在磨损，也不受转筒窜动的影响。保温层使用了石棉，石棉质轻，且保温效果极佳。不仅减轻了筒体的质量，而且提高了热利用率。本设计主要是从干燥的产量入手，通过水分的干燥速度，运用热学知识确定筒体几何尺寸。而后，在进行机械的设计。本装置在生产一种叫生物煤的产品过程中起干燥之用。生物煤是在普通的煤中混进一些锯末等。但是锯末不能直接加到煤块里，需要用水或者是通过压力压紧。采用这两种方法都需要干燥，因为只有干燥到一定程度后才能把煤块压得结实。而本装置就是要把煤干燥到含水量小于3%。在此就有必要对煤的一些干燥特性做一个描述，以及对煤炭干燥状况作一简单介绍。煤炭中的水分大致分为内在水分和外在水分，内在水分是由原生植物形成煤炭时就存在于煤炭之中的水分；外在水分式附着在煤炭表面的水分或存在于煤炭之间的水分以及在煤炭裂缝中残留的水分，统称外在水分。脱除这种外在水分通常采用自然干燥、过滤、压滤、离心分离以及热力干燥等方法，在有的场合也采用热力干燥，与其他方法相结合的脱水技术。热力干燥是利用热能将水分蒸发，所以它是降低煤中水分最有效的方法。煤的干燥设备有：5060年代所用的转筒式、管式、洒落（竖井）式干燥机。7080年代我国引进了沸腾床层式，螺旋式以及我们自己研制的NXG（内部新结构）型转筒式干燥器，取代了一些老设备，效果良好。煤的干燥主要目的是除去产品中的外在水分，使其便于储存、装卸、运输、加工利用以及防冻等。湿法选煤的选后产品都含有大量的水分，经一般脱水设备后，产品所含的水分还是相当高的，如末煤经离心机脱水后，一般只能把水分降低到89%，而煤泥或浮选精美用真空过滤机脱水，滤饼水分也在20%以上，即使采用一般的蒸汽加热过滤设备，也只能把浮选精煤滤饼的水分降低到17%左右。国外选煤厂对选煤产品进行火力干燥，火力干燥法就是使热空气（烟气）与湿煤接触，在热交换过程中将煤中水分蒸发掉。以降低煤的水分的方法。德国使用管式干燥器较多，而日本等国使用转筒式干燥器较多。对于煤的上述特性，综合各种用于干燥煤的干燥器，回转圆筒干燥器是一种处理大量物料干燥的干燥器。由于运转可靠，操作弹性大，适应性强、处理能力大。而此产品需要达到3t/h的产量。我觉得选用复式传热回转圆筒式干燥器比较有效率，而且经济。3 主要参数的确定被干燥物料名称：精煤，尾煤的混合物物料进口含水量：15%物料出口含水量：3%产量：3t/h比重：视比重，除去煤块之间的空隙时的比重。 真比重，没有空隙的净煤的比重 （2-1）1 ：煤的入口温度：试验地在山东，而且煤不能结冰，应以较低的温度来计算。故取5度。2 ：煤的出口温度：参考实际生产中干燥器的技术数据，大部分都是在6080度。而复式干燥器的热效率比较高，故取75度。煤的粒度由冶金炉料手册查得混合煤的粒度为050mm。Cs：煤的比热 在室温下煤的比热一般为1.001.26KJ/(KgK)其值随煤的煤化度、水分、灰分和温度的变化而不同。由于煤在干燥过程中是一个升温的过程。故取煤的比热为1.43KJ/(KgK)。 (约为3.4Kcal/(KgK)。s：煤的堆积重度810Kg/m3 (机械工程手册物料搬运） 由于煤在干燥的过程中不怕污染，烟道气是比较经济的，而且是热含量比较大的干燥介质。 烟道气通过重油燃烧得到，重油的选型：共有重油A.B.C三种型号，质量一次降低，考虑到实际生产中经济问题，选重油C。根据实际生产中机器的参数干燥煤时温度取500800度，由于本产品采用复式干燥，故取t1=650度。查热能手册t=650C时，烟气的比热Cs=1.239KJ/(KgK),干燥器出口空气在进料端，而煤的入口温度，为5度，考虑到此干燥为逆流，接触时间相对短暂，故取t2=77度（此烟道气状态下的湿球温度是tw=67.8度）。4 干燥器结构设计干燥器的结构主要包括：内筒、外筒、滚圈、支撑装置动力装置及一些附属结构如密封装置，进料装置等。4.1 内筒体的结构设计4.1.1 结构创新对于复式干燥器，干燥器主要由外壳及十字断面中央内管所组成。被干燥物料沿着外壳壁和中央内管间的环状空间移动，烟道气自燃烧炉进入中央内管，自左向右流动，并将一部分热量经管壁传给被干燥物料，然后进入并通过环状空间与被干燥物料直接接触，而后由排风机或烟囱排出。内筒只是起过渡烟气以及间接传热的作用，它不需要承受多大的力。但是它的位置有两种情况，一种是内筒与外筒相对静止，即内筒跟着外筒一起转；另外一种就是内筒静止。这两种情况都的把内筒定位。考虑到间接传热，所以处设想为第一种情况，即把内筒固定在外筒壁上。由于筒长5m，故只需两端支撑就行了。内筒两侧分别被6个支撑板支撑，支撑板焊接在内筒上，内筒外壁焊接抄板，使尽量多的煤能参与间接干燥，如图4-1。图4-1 内筒外筒间支撑板排列从图中可以看出，内筒完全由支撑板支撑，但支撑板的形式由各有千秋，如下图4-2两种格式。图4-2 支撑板的两种形式第2种六个支撑板焊接在一个圆周上，然后通过螺钉固定在外筒壁上。这种方法的特点是：安装简单，比较典型，但是在外筒圆周上能挡住煤的流动。第1种方案，六个支撑板线焊接在内筒周围，然后在通过螺钉固定在外筒壁上。这种方法的特点是：对煤的流动不起什么影响，但是按转的时候稍比第二种方案复杂。这是把第二种方案根据实际情况改进的。所以选择第一种方案。另外，根据干燥设备手册选择Q245R作为内筒材料（由于它焊接性能比较好）。4.1.2 内筒厚度的选取根据下表，由于内筒不受太大的力的作用，故可以直接选择表中的经验数据。对于内筒直径D1=0.7m，内筒体厚度=8mm，验算：筒体的最小壁厚 （4-1） 式中：R筒体半径，0.7/2=0.35ms操作温度下的屈服应力（kgf/cm2）C腐蚀裕度，取C=0.3（cm）K抄板与筒壁的重量的比例系数，取1.6表4-1 干燥器筒体厚度与直径的关系（统计值）筒体直径D（m）11.11.31.3222.62.6333.63.34筒体厚度（mm）8101214161820/D0.0080.0090.00770.00920.0060.0070.00540.00620.00530.0060.0050.0060.005滚圈下筒体壁厚（mm）16202428323640对于Q245R，常温下s=200 Mp在（650+75）/2=360C下的温度系数是0.7，则在360C下应力极限s为：s=0.7200=140 Mpa=1400kgf/cm2。故内筒体的壁厚取8mm。4.1.3 内筒重量的计算每米长的自重为： qs=7.85（d+） （4-2）=7.85（0.7+0.008）0.008=0.14 t/m筒外装有抄板，抄板可以加入筒体内按均布载荷计算，为方便起见，可将此这合成qs= 1.2 qs=1.20.14=0.168t/m。内筒表面的物料重量，由间接传热部分的假定，煤只覆盖了筒圆周的1/3，厚度大概为10mm,则内筒单位长度上的 煤的重量是： （4-3）=8100.70.01/3=6 kg/m=0.006 t/m考虑到煤的分布不均匀性，为方便起见， （4-4）那么内筒的重量为：q1=qs1+qw1=0.168+0.0075=0.176 t/m. （4-5）4.1.4 弯矩与应力计算筒体计算的假设：（1）将筒体体视作圆环截面水平连续。（2）不记物料中心对筒体轴线的偏移，不记筒体所受扭矩的作用。（3）按静载荷计算。内筒的受力情况与弯矩图4-3，4-4,4-5（假定支点往里靠0.25m，受力对称）。图4-3 内筒受力情况示意图图4-4 内筒剪力图图4-5 内筒剪力弯矩图求F1，F2： （4-6）故 F1=440 kgf=4400N F2=440 kgf=4400N.从弯矩图M中可看出由三点的弯矩是极值，分别是两支点和中点，故只需较核这三点的弯矩。由于受力是对称的，故：M中=Mmax=弯曲应力计算： （4-7）对于Q245R，需用弯曲应力=100150kgf/cm2=1015MpaM取最大弯矩 4400Nm；Ks为焊缝强度系数，查表取0.9（人工焊）；表4-2 焊缝强度系数Ks焊 接 方 法Ks人 工 焊0.90.95自 动 焊0.951Kt为温度系数，对于筒体温度为360C时，取0.7；表4-3 A3钢板的温度系数Kt筒体温度C150200250300350400425450Kt10.920.830.750.70.630.570.47W为筒体断面模数， （4-8） =3.1510E-3 m3 故内筒的受力满足强度要求，安全。4.1.5 筒体变形计算（1）筒体按均布载荷连续梁计算挠度如图4-6。图4-6 筒体受力情况示意图 （4-9）式中：Zm为梁的两支点之间的长度 5-0.252=4.5;=Zh/Zm=0.254.5=1/18;q=0.176 kg/m;在75C下，查表知钢的E=2.0510E6 kgf/cm2I为筒体的惯性矩 （4-10）则 中间段满足要求。（2）悬伸端挠度计算 （4-11）Zh=0.25m，则悬伸端也满足要求，故变形在安全范围内。4.1.6 内筒支撑件的设计由于内筒要随着外筒旋转，而外筒倾斜地放在两托轮上，这样内筒的轴线方向就必须固定，防止它下滑。根据前面1中的结构设计，可用6块支撑板支住，然后用螺钉把他们固定在外筒壁上。但是由于温度的升高，可能在轴向上由一个窜动，故只能把一段在水平位置固定，另一端应当由一个余量。由于外壁厚大概在1216mm，故螺钉选择内六角锥端紧定M1250（补偿拆卸）。根据机械零件手册，螺钉连接时，必须保证螺钉的轴线与板的边缘距离e=d+36mm。故取之承办的厚度为202=40mm。上下端都为圆弧，分别是R=0.35m,R=0.8m。由于内筒较薄，而且筒体倾斜角为2.3，故螺钉也不成受太大的力。故每一块支撑板只用一个紧定螺钉定位。总共需要12个螺钉。支撑板的长度的确定：参考标准件滚动轴承的宽度，对于滚动轴承当内径d=70，外径D=150mm时，宽度B是35mm,那么按比例放大，则支撑板长度可取L=350mm。较核螺栓的应力支撑板主要受的是剪力，故只需较核螺栓的剪应力，每个螺栓受的剪应力： （4-12） =. =0.26Mpa在机械设计大典中，许用剪应力 （4-13）在静载荷下取1.5，脉动载荷下取2.0，在此计算时取2.0。对于螺钉，材料使用的是碳钢，其=195Mpa=195/2=97.5 Mpa显然：故此设计安全。4.2 外筒体的结构设计外筒体是回转圆筒干燥器的基体。外筒体内即进行热和质的传递与输送物料，其设计关系到整台干燥器的质量。根据干燥设备设计材料一般用Q245R，普通合金钢。故在此也选用Q245R，焊接时采用对接焊。4.2.1 外筒体的厚度确定外筒体的最小厚度公式， （4-14） 参考表3-1，对于直径为1.6m，筒体厚度取12mm.由于长径比为：5/1.6=3.11020mm，故可以按平壁面计算： （4-15）80C下， （4-16）T0=80C 环境温度为Ta=10C室内直径小于2的圆筒体的s=1.169=10.44(W/m2C)则取保温层的厚度为50mm。根据保温层外表面温度较核：通过热能手册，知烟道的表面温度Ts=45C,则保温层的最小厚度为：故保温层的厚度取50mm，材料为泡沫石棉。（3）、保温层重量线密度 qt=A （4-17） =13.2 kg/m4.2.3 外筒体的载荷计算（1）筒体的自重估算 考虑滚圈下垫板加厚等，单位长度重量取：（2）保温层的重量 qt=13.2kg/m=0.0132t/m（3）物料重量 （4-18）式中：煤的重度 s=0.81t/m，煤的填充系数 =0.05；筒径 D2=1.6m则 （4）内筒体及其支撑板的重量内筒 q1=0.176 t/m.支撑物 每一块支撑板的体积：则每一块的重量总共有62=12个支撑板，则内筒与支撑板的总重量是：它们作用于外筒内壁的力，全部分布在2L长的支撑板上，则q内=（5）齿圈重量P1由于外筒外需报一层石棉，故齿圈应尽量与某一个托轮近一些，故将齿圈安装在离左托轮0.5m处。根据干燥设备手册，齿宽的估算，据统计，齿宽BG2/m一般为9.51.3，取8（m为模数）。根据经验公式估算电机功率： （4-19）式中：K抄板系数 升举式且填充率0.1，取0.03；煤的重度 0.81t/m;n转速 4rpm；则 。 查表（3-4），N=2kw时，模数取15。那么齿宽BG2=158=120mm，轮幅宽度b=0.135 BG2=0.135120=16.2mm，表3-4 模数和功率的关系N(kw)3002001251006540、2825m（mm）45、4040、3633、30、2825、2215、16、18轮壳宽度b1=0.35 BG2=0.35120=42mm。利用体积的填补求法估算齿圈体积，在几何中能把齿圈等效成一个宽的圆环。查表3-5，D2=1.6 故按弯曲应力较核，安全。4.2.6 筒体变形计算（1）、挠度计算，可把筒受的载荷分成3部分，即头部、跨间、尾部。、1）均布载荷q2 引起的最大挠度 （4-26）式中：Zm=3 m=300 cm在80C下，E=2.05106kgf/cm2I惯性矩 （4-27） =则 悬臂端 （4-28） 2)均布载荷q内引起的挠度a 悬臂端 （4-29） b 跨间 （4-30）3）集中力P1=1200 kgf引起的挠度，如图4-11。图4-11集中力引起的挠度跨间最大值： （4-31） =8.2210-5cm （4-32）假设各个最大值都在同一截面且同一方面，那么跨间 （4-33） 悬臂端 （4-34） 故筒体变形满足要求。（2）截面变形的简单计算工作状态下滚圈与筒体若无间隙，则该段筒体的变形等于滚圈的变形，滚圈变形的椭圆度（最大直径与最小直径之差） （4-35）式中：Q支撑载荷，Q=Fmax=F1+F1+P2P2为滚圈的质量 估算Gr=0.1Q=0.13610=361 kgf.取450kgf。即 P2=450 kgf则 Q=2610+1000+450=4060 kgf=40.6 kN.平均半径 Rc= 取Rc=190/2=95 cm.（Dr为滚圈半径，Dr=1.17D2=1.171.6=1.872m，取Dr =190cm）。弹性模量E=2.05106 kg/cm2截面惯性矩 ， (4-36) h滚圈断面高度 h=0.07D=0.07160=11.2cm；Br滚圈高度， Br （4-37） i为滚圈与托轮直径之比 查托轮标准表4-6 拖轮安装尺寸表（mm）载荷（t）DBEFHhLl地脚螺栓个数n孔径10200210A+810580160160A+69050063320300250A+960710220180A+84063063380400310A+1120740250200A+1040660633因为1400DW=0.18cm故截面变形较核也合格。4.2.7 筒体安装尺寸计算由于干燥器的筒体较长，安装时是在常温条件下，而工作时温度较高，则产生热膨胀 （4-39）热膨胀系数，对于钢=1.210-5 m/(m.C)，Zm跨矩为3m，t0=10C， t1=80C则 故筒体安装是应当能使筒体能窜动2.5mm。4.3 滚圈的设计滚圈固定在外筒体上，在由两个托轮支撑，转筒转动带动托轮转动，而且转筒的重量全部由2个滚圈支撑。4.3.1 滚圈材料的选择根据干燥设备设计中列举的常用滚圈与托轮材料，如下表。表4-7 滚圈、拖轮材料与许用应力拖 轮滚 圈许用接触应力P0（kgf/cm2）K(E2kgf/)许用弯曲应力b（kgf/cm2）材料硬度HB材料硬度HBZG310-570170ZG3514037500.031750ZG340-640190ZG4515540000.27280021017045000.0215900滚圈材料选用 ZG 310-570，正火处理；对应托轮材料用 ZG 340-640，正火处理。需用接触应力是 P0=4000 kgf/cm2=400Mpa。4.3.2 滚圈的结构形式滚圈有多种断面：实心矩形、正方形、空心箱形等，小型的回转圆筒也有用钢轨或型钢弯接而成。它