Расчет сушильной камеры

где m – число вагонеток в обоих туннелях.

                                Gсуш1=12·85(24/12)=2040кг/сут.

Рассчитаем количество испаренной влаги по формуле (3.7):

U=g1(W1-W2)/(100-W2)=g2(W1-W2)/(100-W1),                   (3.7)

где g1 и g2 – массы сырого и высушенного материалов, кг; масса высушенного материала g2 равна производительности сушилки;

      W1 – начальная влажность продукта, %;

      W2 – конечная влажность продукта, %.

                U=(2040/24)(82-22)/(100-82)=283,3 кг/ч.

Производительность сушилки по сырым яблокам определяется по формуле (3.8):

Gябл=(Gсуш1/ξ)(100-W2)/(100-W1),                            (3.8)

где ξ – коэффициент, учитывающий потери сухих веществ в результате уноса; для яблок он равен 0,8%, т.е. 1-ξ=0,008, а ξ=0,992.

              Gябл = (2040/0,992)·(100-22)/(100-82)=8911,29 кг/сут.

 

3.2.3 Выбор конструкции ограждений сушильной камеры и расчет потерь теплоты в окружающую среду.

Потери теплоты ограждениями сушильной камеры можно рассчитать по формуле (3.9):

qогр= Σ k·F·∆tср/U,                                                     (3.9)                                              

где F – площадь поверхности участка, м2;

      k – общий коэффициент теплопередачи участка ограждения, Вт/(м2·К);

      ∆tср – средняя разность температур для участка, К; ∆tср=tср – tв, где tср – средняя температура воздуха (паровоздушной среды) в сушильной камере на участке, К; tср=(t1 + t2)/2, где t1 и t2 – максимальная и минимальная температуры воздуха в сушильной камере на участке, К; tв – температура воздуха в помещении, К.

     U – количество испаренной влаги, найденное по формуле (3.7).

Коэффициент теплопередачи k рассчитывают по формуле (3.10):

k=1/[(1/α1) + Σδ/λ + 1/α2],                                   (3.10)

где α1 – коэффициент теплоотдачи от среды сушильной камеры к внутренней поверхности стенки ограждения, Вт/(м2·К);

       α2 – коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стенки ограждения к окружающему воздуху, Вт/(м2·К);

       δ –  толщина отдельных слоев, из которых состоит ограждение, м;

      λ – соответствующие коэффициенты  теплопроводности, Вт/(м2·К).

Рассчитаем потери теплоты следующими ограждениями: две наружние боковые стенки сушильных туннелей (калорифер будет находиться между туннелями), поток и торцевые стенки туннелей, двери, пол.

Боковые стены.

Конструкционными материалами сушилки являются цементная штукатурка (15 мм), красный кирпич (250 мм), цементная штукатурка (15 мм).

 При движении воздуха  в сушильной камере вдоль плоской  шероховатой стенки коэффициент теплоотдачи α1 рассчитываем по формуле (3.11):

α1=А(α11 + α12),                                                   (3.11)

где А – коэффициент, зависящий от режима движения газа и состояния поверхности стенки; для турбулентного режима и шероховатой стенки А=1,2-1,3;

        α11 – коэффициент теплоотдачи при принудительном движении газа, Вт/(м2·К); он определяется из формулы (3.12);

        α12 – коэффициент теплоотдачи естественной конвекцией, Вт/(м2·К).

Nu=f(Re)=α·Нт/λ,                                                          (3.12)

где  Nu – число Нуссельта;

       Re – критерий Рейнольдса.

Критерий Рейнольдса определяется по формуле (3.13):

Re=v·dэкв/ν,                                                        (3.13)

где v – скорость движения газа, м/с;

      dэкв – эквивалентный диаметр туннеля,м;

      ν –  кинематическая вязкость газа, м2/с.

Эквивалентный диаметр туннеля определяется по формуле (3.14):

dэкв=2Вт·Нт/(Вт + Нт)                                       (3.14)

                                 dэкв=2·2·2,2/(2 + 2,2)=2,1 м. 

Кинематическуя вязкость воздуха принимается из таблицы[5] при средней его температуре tср=(t1 + t2)/2=(75+85)/2=80°С

                                    ν80°С=0,217·10-4 м2/с.

Тогда определим число Рейнольдса по формуле (3.13):

                                   Re=5,0·2,1/0,217·10-4=483870.

Так как Re>105, то число Нуссельта определяем по формуле (3.12):

                                   Nu=0,032·Re0,8=0,032·4838700,8≈1130.

Тогда по формуле (3.12) определим α11, в которой λ определяется по таблице [5]:

                                   λ80°С=0,0298 Вт/(м2·К)

                                  α11=Nu·λ/Нт=1130·0,0298/2,2=15,31 Вт/(м2·К)

В числе Nu для расчета теплоотдачи боковыми стенками сушильной камеры в качестве определяющего геометрического размера принимается высота туннеля Нт, рассматривая его как длинный канал.

Коэффициент теплоотдачи естественной конвекцией α12 определяется при использовании формулы (3.16):

Nu=С(Gr·Pr)n,                                                  (3.16)

где С и n – коэффициенты, учитывающие условия протекания процесса;

        Gr – критерий Грасгофа;

        Pr – критерий Прандтля.

Критерий Грасгофа определяется по формуле (3.17):

Gr=(g·Нт3/ν2)[(tср-tвн.ст.)/tср],                                  (3.17)

где tвн.ст – температура внутренней поверхности стенки сушилки; принимаем равную 70°С.

Кинематическая вязкость при t=(80+70)/2≈75°С составляет 0,2·10-4 м2/с.

Gr=(9,8·2,23/(0,2·10-4)2 )[(80-70)/(80+273)]=73,9·108.

Для воздуха критерий Прандтля Pr=0,73. Тогда произведение Gr·Pr=73,9·108·0,73=53,9·108.

Так как GrPr находится в пределах 2·107÷1·1013, то по таблице [5] С=0,135, n=1/3.

Определим число Нуссельта по формуле (3.16):

                                  Nu=0,135· 3√53,9·108=193.

Отсюда пользуясь формулой (3.12) определим α12:

                             α12=Nu·λ/Нт=193·0,0298/2,2=2,61 Вт/(м2·К),

где λ воздуха принимается при 80°С и составляет 0,0298 Вт/(м2·К).

По формуле (3.11) можно определить коэффициент теплоотдачи вдоль шероховатой стенки:

                                α1=1,2(15,31 + 2,61)=21,5 Вт/(м2·К).

Теперь произведем расчет коэффициента теплоотдачи от наружной поверхности стенки сушилки α2 по формуле (3.18):

α2=α21 + α2л,                                                         (3.18)

где α21 – коэффициент теплоотдачи конвекцией;

       α2л – коэффициент теплоотдачи излучением.

Коэффициент α21 рассчитывают аналогично α12.

Определим критерий Грасгофа по формуле (3.17). При этом вместо температуры внутренней поверхности стенки используется температура наружней стенки, а вместо tср используем tвозд. Принимаем tн.ст.=20°С, а температуру воздуха помещения tв=15°С, считаем, что такую же температуру будет иметь стена цеха, противоположная стене сушилки, т.е. tст=15°С.

Кинематическая вязкость при температуре t=(20+15)/2=17,5°С будет равна 0,15·10-4 м2/с.

                         Gr=(9,8·2,23/(0,15·10-4)2)[(20-15.)/(273+15)]=80,5·108.

Так как GrPr=80,5·108·0,73=58,76·108  больше 2·107, то Nu определим по формуле (3.16):

                                  Nu=0,135· 3√58,76·108=264.

Отсюда пользуясь формулой (3.12) определим α21:

                             α21=Nu·λ/Нт=264·0,025/2,2=3,0 Вт/(м2·К),

где λ воздуха принимается при 17,5°С и составляет 0,025 Вт/(м2·К).

Коэффициент теплоотдачи излучением рассчитываем по формуле (3.19):

α2л=С1-2[(Tн.ст./100)4 – (Тст/100)4]/(tн.ст.-tв),                (3.19)

где С1-2 – приведенный коэффициент излучения, Вт/(м2·К4);

      tн.ст. и Тн.ст. – температура наружной поверхности стенки сушильной камеры, °С и К;

      Тст. – температура тепловоспринимающей стенки, К;

      tв – температура воздуха помещения, °С.

Коэффициент излучения С1-2 можно определить по формуле (3.20):

С1-2≈С1·С2/5,8,                                                           (3.20)

где С1 и С2 – коэффициенты излучения теплоотдающей и тепловоспринимающей поверхности; определяются по таблице [5].

Коэффициент для стенки сушилки (окрашенная масляной краской) С1=4,5 Вт/(м2·К4), для стенки цеха (штукатурка) С2=5,33 Вт/(м2·К4).

По формуле (3.20):

                        С1-2≈4,5·5,33/5,8=4,15 Вт/(м2·К4).

Таким образом, по формуле (3.19):

         α2л=4,15[(293./100)4 – (288/100)4]/(20-15)≈4,07 Вт/(м2·К4).

Теперь можно определить коэффициент теплоотдачи от наружной стенки сушилки по формуле (3.18):

                         α2=3,0 + 4,07=7,07 Вт/(м2·К4).

Теперь произведем рассчет общего коэффициента теплопередачи для боковой стенки сушильной камеры в соответствии с конструкционными материалами сушилки по формуле (1.10). Коэффициент теплопроводности материала ограждения берется из таблиц; для цементной строительной штукатурки λ=0,44 Вт/(м·К); для кладки из красного кирпича λ=0,75 Вт/(м·К).

1/k=1/21,5 + 0,015/0,44 + 0,25/0,75 + 0,015/0,44 + 1/7,07=0,59

                                  k=1,7 Вт/(м2·К).

Проверим принятые температуры внутренней и наружной поверхности стенки по формулам (3.21) и (3.22):

tн.ст.=tв + k(tср –tв)/α2,                                            (3.21)

tв.ст.=tср - k(tср –tв)/α1,                                            (3.22)

где tв – температура воздуха, равная 15°С;

      tср – средняя температура, равная 80°С.

                       tн.ст.=15 + 1,7(80 –15)/7,07=30,6°С

                       tв.ст.=80 – 1,7(80 –15)/21,5=74,8°С.

Площадь поверхности теплоотдачи стенки определяется по формуле (3.23):

                          F=2LTH,                                                              (3.23)

где LТ – найденная по формуле (1.3) длина туннетя, м;

      Н – высота сушилки; складывается из высоты туннеля(2,2 м) и высоты ограждения потолка (0,4 м).

                                F=2·14,0·2,6=72,8 м2

Рассчитаем потерю теплоты боковыми стенками сушильной камеры по формуле (3.9):

                         qбок.ст.=  1,7·72,8·(80-15)/283,3=28,39 кДж/кг.

Аналогично рассчитываются потери теплоты потолком, торцевыми стенками и дверями сушильной камеры.

Потолок. Теплоотдача для потолка рассчитывается как для горизонтальной стенки, обращенной вверх, причем за геометрический размер в числе Нуссельта принимается наименьшая сторона поверхности, т.е. ширина сушильной камеры.

При расчете для потолка GrPr>2·107, то n=1/3 и процесс теплоотдачи не зависит от геометрических размеров. Поэтому для потолка α1 принимают, как для боковой (вертикальной) стенки с уменьшением на 30%, а α2 – с увеличением на 30%.

Таким образом α1=1,2(15,31 + 2,61·0,7)=20,56 Вт/(м2·К).

                         α2=3,0·1,3 + 4,07=7,09 Вт/(м2·К4).

1/k=1/20,56+0,015/0,44+0,125/0,75+0,065/0,75+0,015/0,44+1/7,09=0,511

k=1,956 Вт/(м2·К).

По формуле (3.9):

            qпот.=  k·F·∆tср/U=1,956·14,0·2,2·(80-15)/283,3=13,82 кДж/кг.

Торцовые стены. Теплоотдача рассчитывается как для боковой стены с учетом другой площади поверхности ограждения.Коэффициенты α1, α2 и k останутся неизменными, а вот потери тепла изменятся, т.к. площадь поверхности ограждения составляет 2(2,2×2,2)-4,0=5,68 м.

Тогда по формуле (3.9):

qторц.ст.=  1,956·5,68·(80-15)/283,3=2,55 кДж/кг.

Пол. Потери тепла полом сушилки при расстоянии между сушилкой и стеной здания 3 м рассчитываем, пользуясь таблицей. При tср=80°С q1=43 кДж.

Определим потери тепла полом сушилки, отнесенные к 1кг испаренной влаги по формуле (3.24):

qпола=q1·F/U,                                                                (3.24)

где F – площадь пола; равна 30,8 м2.

qпола=43·30,8/283,3=4,67 кДж/кг

Теперь рассчитаем общее количество потерь в окружающую среду:

qсред=qбок.+qпот+qторц.ст.+qдв+qпол=28,39+13,82+2,55+5,65+4,67=55,08 кДж/кг

 

 

 

4. Рассчет потерь теплоты на нагрев материала и транспорта.

 

Потери тепла на нагрев материала рассчитывают по формуле (3.25):

qм=(g2/24U)cм2(θ2-θ1) ,                                                 (3.25)

где g2/U – масса высушенного материала, приходящаяся на 1кг испаренной влаги;

       см2 – удельная теплоемкость высушенного материала, кДж/(кг·К);

       θ2 и θ1 – температура материала в зоне загрузки и выгрузки.

Удельная теплоемкость определяется по формуле (3.26):

см2=(свлW2+Сс.в.(100-W2))/100,                                         (3.26)

где свл – удельная теплоемкость влажного материала, кДж/(кг·К);

      сс.в. – удельная теплоемкость сухого вещества материала, кДж/(кг·К).

                       см2=(4,19·22+1,67(100-22))/100=2,2 кДж/(кг·К).

Принимаем согласно экспериментальным данным температуру высушенного материала θ2=80°С, а θ1=tв=15°С.

Тогда по формуле (3.25):

                  qм=(2040/24·283,3)2,2(80-15)=42,9 кДж/кг.

Потери тепла на нагрев транспорта (кДж/кг) рассчитываются по формуле (3.27):

qтр=(gтр/U)стр(θтр2 –θтр1),                                               (3.27)

Масса транспорта gтр, проходящего в час через сушильную камеру определяется по формуле (3.28):

gтр=(n(gв + gкас))/τ,                                                            (3.28)

где gв – масса вагонетки, равная 85 кг;

       gкас – масса кассеты, равная 3,36 кг; количество кассет в вагонетке 25;

n – число вагонеток, равное 12.

                   gтр=(12(85 + 2,73·25))/12=153,25 кг/ч

По формуле (3.27):

                   qтр=(153,25/283,3)0,482(80 –15)=16,95 кДж/кг

Рассчитаем величину ∆:

∆=(qдоб +свл·θ1) – (qм + qтр + qсред.)=(0+4,19·15)-(42,9+16,95+55,08)=

=-52,08 кДж/кг

Термодинамические потери рассчитываются следующим образом:

qтерм=0,23(Т1+Т2)=0,23(75+273+85+273)=162,38 кДж/кг.

Если учитывать эти потери, то величина ∆общ≈ - 214,46 кДж/кг.

 

5. Построение процесса в I-d диаграмме.

 

Принимаем параметры воздуха сушильного цеха: tо=15°С; φо=70%; I0=34,12 кДж/кг; d0=7,56 г/кг. Параметры отработанного воздуха по заданному режиму: t2=85°С; φ2=30%; I2=293,4 кДж/кг; d2=82,6 г/кг. Температура воздуха при входе в сушильную камеру tсуш=75°С.