3. Тепловой расчет камер и цеха

Производится с целью определения затрат тепла на сушку, расхода теплоносителя, выбора и расчета теплового оборудования камер и цеха (калориферов, конденсатоотводчиков, трубопроводов).

Тепловой расчет целесообразно выполнять в определенной последовательности:

1) выбор расчетного материала; 2) определение массы испаряемой влаги; 3) выбор режима сушки; 4) определение параметров агента сушки на входе в штабель; 5) определение объема и массы циркулирующего агента сушки; 6) определение объема свежего и отработавшего воздуха или перегретого пара; 7) определение расхода тепла на сушку; 8) выбор типа и расчет поверхности нагрева калорифера; 9) определение расхода теплоносителя; 10) определение диаметров паропроводов и конденсатопроводов; 11) выбор конденсатоотводчиков.

3.1. Выбор расчетного материала

За расчетный материал принимаются самые быстросохнущие доски - осина, необрезной пиломатериал 16 х н/о х 6000. В этом случае камеры обеспечат сушку любого другого материала из этой спецификации.

3.2. Определение массы испаряемой влаги

Масса влаги, испаряемой из 1 м³ пиломатериалов

, (19)

где — базисная плотность расчетного материала, кг/м³ (см. табл. 1.2);

— соответственно начальная и конечная влажность расчетного материала, %.

m_1м³ _осина = 400 х 0,57 = 228 кг/м³

Масса влаги, испаряемой за время одного оборота камеры

, (20)

, (21)

где — вместимость камеры, м^э; — габаритный объем всех штабелей в камере, м³; —коэффициент объемного заполнения штабеля расчетным материалом.

Е _осина = 32,76 х 0,25 = 8,195 м³

m об.кам.осина = 228 х 8,195 = 1868,46 кг

Масса влаги, испаряемой из камеры в секунду

, (22)

где — продолжительность собственно сушки, ч.

Определяется из следующего выражения

, (23)

где — продолжительность сушки расчетного материала, ч;

— продолжительность начального прогрева мате­риала, ч;

— продолжительность конечной влаготеплообработки (ВТО), ч.

τ_{соб.суш. осина} = 64 – (3+1) = 60 ч

m_{c осина} = 0,0087 кг

Расчетная масса испаряемой влаги

, (24)

где — коэффициент неравномерности скорости сушки (рекомендуется принимать для камер периодического действия при сушке воздухом до ; при ; при сушке в среде перегретого пара соответственно и ; для камер непрерывного действия: ).

m_{р осина} = 0,0087 х 1,3 = 0,0113 кг

3.3. Выбор режима сушки

Режим сушки выбирается в зависимости от породы и толщины расчетного материала, а также требований, предъявляемых к качеству сухой древесины.

Выбираем мягкий режим сушки по 1 категории качества. При данных параметрах обеспечивается требуемое качество пилопродукции на выходе.

3.4. Определение параметров агента сушки на входе в штабель

Режимы сушки представлены в таблице 7.

Таблица 7 – Режимы сушки

Порода, размеры, мм	Номер режима	Режим сушки
		I			II			III
		t	∆t	Φ	t	∆t	φ	t	∆t	φ
Осина,необр. пиломатериал 16н/о6000	6Г	57	5	0,77	61	9	0,62	77	25	0,29

Влагосодержание , определяется по формуле

, г/кг (25)

где — парциальное давление водяного пара, Па; — атмосферное давление воздуха ( бар = 10⁵ Па).

Так как , то

Па, (26)

где — относительная влажность воздуха расчетной ступени режима;

— давление насыщения водяного пара при расчетной температуре режима

p_n1 = 0,62 x 19919 = 12349,78 Па

d₁ = 622 x (12349,78/(100000-12349,78)) = 87, 64/кг

Теплосодержание воздуха, кДж/кг,

(27)

I₁ = 61 + 0,001 x 87,64 х (1,93 x 61 + 2490) = 289,54 кДж/кг

Плотность воздуха, кг/м³,

(28)

ρ₁ = (349-132x(87,64/(622+87,64))) / 334 =0,996 кг/м³

Приведенный удельный объем , м³/кг сух. возд.,

, (29)

v_пр1 = 4,62 х 10^-6 х 334(622+87,64) = 1,095 м³/кг

где — термодинамическая температура, К.

. (30)

Т₁ = 273 + 61 = 334 К

3.5. Определение объема и массы циркулирующего агента сушки

Объем циркулирующего агента сушки

Объем циркулирующего агента сушки определяется по формуле

, (31)

где — расчетная (заданная) скорость циркуляции агента сушки через штабель, м/с; - живое сечение штабеля, м².

, (32)

где — количество штабелей в плоскости, перпендикулярной входу циркулирующего агента сушки; — длина и высота штабеля, м; — коэффициент заполнения штабеля по высоте.

При расчете следует правильно (в зависимости от схемы циркуляции в камере) определять количество штабелей в плоскости, перпендикулярной потоку агента сушки.

F_{ж.сеч.шт.осина}= 1х 6,5 х 2,8 (1-0,39) = 11,1 м²

V_{ц осина}= 2 х 11.1 = 22,2 м³/с

Масса циркулирующего агента сушки на 1 кг испаряемой влаги

Масса циркулирующего агента сушки на 1 кг испаряемой влаги определяется по формуле

, (33)

где — приведенный удельный объем агента сушки на входе в штабель, м³/кг

m_ц = 22,2/(0,0113х 1,095) = 1794,16 кг

Определение параметров воздуха на выходе из штабеля

(34)

d₂ = 1000/1794,16 + 87,64 = 88,2 г/кг

(35)

t₂ = (289,54 – 2,49 x 88,2)/(1 + 0,00193 x 88,2) = 59,76 °C

Определение объема и массы циркулирующего агента сушки

Масса циркулирующего агента сушки на 1 кг испаряемой влаги, кг/кг, определяется по формуле

(36)

m_ц = 1000 / (88,2 – 87,64) = 1785,7 кг

Уточнение объема м³/с, и массы , кг/с, циркулирующего агента сушки

(37)

V_ц = 1785,7 х 0,0113 х 1,095 = 22,09 м³/с

(38)

G_ц = 1785,7 х 0,0113 = 20,18 кг/с

3.6. Определение объема отработанного перегретого пара

Объем отработанного перегретого пара, выбрасываемого из камеры

, (39)

где — удельный объем отработавшего перегретого пара при .

V _отр = 0,0113 х 1,116 =0,0126 м³/с

Расчет приточно-вытяжных каналов камеры

Площадь поперечного сечения вытяжного канала, м²,

, (40)

где — объем отработавшего агента сушки, м³/с;

f _кан = 0,0126 / 2 = 0,0063 м²

3.7. Определение расхода тепла на сушку

Расход тепла на сушку складывается из затрат тепла на прогрев материала, испарение влаги из него и на теплопотери через ограждения камеры. Затраты тепла на прогрев ограждений, технологического и транспортного оборудования учитываются введением поправочных коэффициентов. Расчет ведется для зимних и среднегодовых условий.

Расход тепла на начальный прогрев 1 м³ древесины

Для зимних условий, кДж/м³,

, (41)

где —плотность древесины расчетного материала при заданной начальной влажности W_н, кг/м³;

— базисная плотность древесины расчетного материала, кг/м;

—начальная влажность расчетного материала,

- содержание не замерзшей связанной (гигроскопической) влаги, %;

- скрытая теплота плавления льда (335 кДж/кг);

—средняя удельная теплоемкость соответственно при отрицательной и положительной температуре, кДж/(кгС);

—начальная расчетная температура для зимних условий, °С;

— температура древесины при ее прогреве, °С (табл. 2.4).

q_пр1м³ = 650 x 1,6 x (-56) + 400 x (65-5/100)x335 + 650 x 3 x 65 = 148910 кДж/м³

Удельный расход тепла при начальном прогреве на 1 кг испаряемой влаги

Удельный расход тепла, кДж/кг, при начальном прогреве на 1 кг испаряемой влаги определяется для зимних и среднегодовых условий по формуле

(42)

q_пр = 148910/228 =653,11 кДж/кг

Общий расход тепла на камеру при начальном прогреве

Общий расход тепла для камер периодического действия, кВт, определяется по формуле

, (43)

где — продолжительность прогрева, ч;

Q_пр = 148910х8,195 / 3600 х 3 = 113 кВт

Определение расхода тепла на испарение влаги.

Удельный расход тепла на испарение влаги в лесосушильных камерах с многократной циркуляцией при сушке воздухом, кДж/кг,

, (44)

где — теплосодержание воздуха на выходе из штабеля, кДж/кг;

— теплосодержание свежего (приточного) воздуха, кДж/кг;

— влагосодержание воздуха на выходе из штабеля, г/кг;

— влагосодержание свежего (приточного) воздуха, г/кг;

— удельная теплоемкость воды, кДж/(кг·°С);

— температура нагретой влаги в древесине, °С;

q_исп = 1000 х ((289,54+5,46)/(88,2-1)) - 4,19х65

= 3110,68 кДж/кг

Общий расход тепла на испарение влаги, кВт, определяется по формуле

. (45)

Q _исп = 3110,68 х 0,0113 = 35,15 кВт

Потери тепла через ограждения камеры

Теплопотери, кДж, через ограждения камеры в единицу времени (секунду), т. е. кВт, определяются по формуле

, (46)

где — суммарная поверхность ограждений крайней камеры в блоке, м²;

— коэффициент, теплопередачи соответствующего ограждения камеры, Вт/(м²°С);

— температура среды в камере, °С;

— расчетная температура наружного воздуха для зимних и среднегодовых условий.

9600

3700

3200

2200

4000

Рисунок 3 - Схема к расчету потерь тепла через ограждение камеры

Коэффициент теплопередачи определяется пол формуле

, (47)

где — коэффициент теплоотдачи для внутренних поверхностей ограждений, Вт/(м²·°С);

— коэффициент теплоотдачи для наружных поверхностей ограждении, Вт/(м²·°С);

— толщина слоев ограждений, м;

коэффициент теплопроводности материалов соответствующих слоев ограждений, Вт/(м·°С).

Для стен

к = 1/ (1/25 + 0,51/0,8+ 0,13/0,4 + 1/23) = 0,956

Для перекрытия

к = 1/ (1/25 + 0,4/0,4+ 0,2/1,6+0,01/0,17 + 1/23) = 0,789

Для двери

к = 1/ (1/25 + 0,008/58+ 0,008/0,22+ 0,084/0,07 + 1/23) = 0,755

Коэффициент теплопередачи пола , Вт/(м²·c), принимается равным 0,5 наружной стены

(48)

к_пол = 0,5 х 0,956 = 0,478

Расчет поверхности ограждений камеры представлен в таблице 8

Таблица 8 - Расчет поверхности ограждений камеры

Наименование ограждений	Формула, расчёт	Площадь, м2
1. Наружная боковая стена	= 9,6 х 3,7	35,52
2. Торцовая стена со стороны кори­дора управления	= 4 х 3,7	14,8
3. Торцовая стена со стороны тра­версного пути без учета площади дверей	= 14 –7,04	7,76
4. Перекрытие	= 9,6х4	38,4
5. Пол	= 9,6х4	38,4
6. Дверь	= 3,2 х 2,2	7,04

Расчет потерь тепла через ограждения камеры представлен в таблице 9

Таблица 9 - Расчет потерь тепла через ограждение

Наименование ограждений	, м2	, Вт/(м2·°С)	, °С	, °С		, °С		, кВт
				зимой	среднегодовая	зимой	среднегодовая	зимой	среднегодовая
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1. Наружная боковая стена	35,52	0,956	61	-56	-10,4	117	71,4	3,973	2,424
2. Торцовая стена со стороны кори­дора управления	14,8	0,956						1,655	1,01
3. Торцовая стена со стороны тра­версного пути без учета площади дверей	7,76	0,956						0,868	0,53
4. Перекрытие	38,4	0,789						3,54	2,138
5. Пол	38,4	0,478						2,14	1,31
6. Дверь	7,04	0,755						0,621	0,379
						ΣQ		12,797	7,791
						ΣQ х 1,5		19,195	11,686

Удельный расход тепла на потери через ограждения (определяется для зимних среднегодовых условий), кДж/кг, определяется по формуле

, (49)

где — суммарные теплопотери через ограждения камеры, кВт.

q_{ог зима} = 19,195/0,0087 = 2206,32 кВт

q_{ог ср.год.} = 11,686/0,0087 = 1343,22 кВт

Удельный расход тепла на сушку определяется по формуле

, (50)

где — коэффициент, учитывающий дополнительный расход тепла на начальный прогрев камер, транспортных средств, оборудования и др.

q _{суш зима} = (653,11+3250,4+2206,32)х1,1 = 6720,8 кДж/кг

q _{суш ср.год.} = (653,11+3250,4+1343,22)х1,1 = 5771,4 кДж/кг

Расход тепла на 1 м³ расчетного материала определяется по формуле

(51)

q _{суш1м3 зима} = 6720,8 х 228 = 1532342,2 кДж/м³

q _{суш1м3 ср.год.} = 5771,4 х 228 = 1315879,2 кДж/м³

3.8. Выбор типа и расчет поверхности нагрева калорифера

Выбор типа калорифера

Из всего многообразия серийно выпускаемых калориферов (основное название — воздухонагреватель по ГОСТ 7201—80) для лесосушильной техники следует рекомендовать спирально-накатные (биметаллические). Это так, называемые, компактные калориферы, которые могут довольно надежно работать в агрессивной среде лесосушильных камер.

Тепловая мощность калорифера

Тепловая мощность калорифера, то есть количество передаваемой им в единицу времени тепловой энергии в кВт, определяется расходом тепла на сушку в единицу времени для зимних условий:

; (52)

Q_к = (35,15 + 19,195) х 1,1 = 59,78 кВт

где — коэффициент неучтенного расхода тепла на сушку, .

Расчет поверхности нагрева калорифера, м²

, (53)

где — коэффициент теплопередачи калорифера, Вт/(м²°С);

— температура теплоносителя (пар, вода), °С;

— температура нагреваемой среды в камере (воздух, перегретый пар), °С;

— коэффициент запаса, учитывающий загрязнение поверхности калорифера (для чугунных труб ; для биметаллических ).

F_к = 1000 х 59,78 х 1,2 / 37 х (120 -61) = 32,86 м²

Определяем требуемое количество б:имиталических труб диаметром 56 мм

, (54)

n_к = 32,86/23,45 = 1,4

Принимаем 2 калорифера КП3-СК номер 6-10

3.9. Определение расхода пара

Расход пара на 1 м³ расчетного материала, кг/м³,

, (55)

где — суммарный удельный расход тепла на сушку для среднегодовых условий, кДж/кг;

— энтальпия сухого насыщенного пара при определенном давлении, кДж/кг;

- энтальпия кипящей воды при том же давлении, кДж/кг.

P_{суш 1м3} = 5771,4 /2190 = 2,635 кг/м³

Расход пара на камеру, кг/ч

Определяется для зимних и среднегодовых условий.

а) в период прогрева

(56)

P _{кам.пр зима}= ((113 + 19,195) х 1,25 х 3600) / 2190 = 271,63 кг/ч

P _{кам.пр ср.год.}= ((113 + 11,686) х 1,25 х 3600) / 2190 = 256,2 кг/ч

б) в период сушки

(57)

P _{кам.суш зима}= ((35,15 + 19,195) х 1,25 х 3600) / 2190 = 111,67 кг/ч

P _{кам.суш ср.год.}= ((35,15 + 11,686) х 1,25 х 3600) / 2190 = 96,24 кг/ч

где — коэффициент, учитывающий потери тепла паропроводами, конденсатопроводами, конденсатоотводчиками при неорганизованном воздухообмене ( ).

Расход пара на сушильный цех, кг/ч

Максимальный расход пара в зимних условиях на сушильный цех, состоящий из камер:

(58)

где — число камер, в которых одновременно идет прогрев материала (принимается равным 1/6 от общего числа камер и не менее одной при любом малом числе камер);

— остальные камеры цеха, в которых идет процесс сушки (5/6);

Р_цеха= 4 х 271,63 + 18 х 111,67 = 3096,58 кг/ч

Среднегодовой расход пара на сушку всего заданного объема пиломатериалов, кг/год

, (60)

где — объем фактически высушенного или подлежащего сушке пиломатериала данного размера и породы, м³;

— коэффициент, учитывающий увеличение расхода пара при сушке пиломатериалов, сохнущих медленнее расчетного материала.

Р_год = 2,635 х 5890 х 1,6 = 24832,24 кг/год

Средневзвешенная продолжительность сушки фактических пиломатериалов, ч, определяется по формуле

, (61)

где - продолжительность сушки фактических пиломатериалов отдельно по породам и сечениям, ч;

. —годовой объем этих же пиломатериалов отдельно по породам и сечениям, м³;

— продолжительность сушки расчетного материала, ч.

τ_ср.ф= (262 х 12218 + 196 х 15453 + 64 х 5890) / 33561 = 109,5 ч

3.10 Определение диаметров паропроводов

Диаметр главной паровой магистрали , м, в сушильном цехе (от теплового ввода до крайней камеры в блоке):

, (62)

где — плотность пара, кг/м³;

— скорость движения пара, принимается для магистралей 50 ÷ 80 м/с.

d_маг= 1,27 х (3096,58/(3600 х 1,13 х 50)) = 0,139 м

Принимаем стандартный диаметр d=150 мм

Диаметр паропровода (отвода) к коллектору камеры, м,

, (63)

где — расход пара на камеру периодического действия для зимних условий в период прогрева, кг/ч;

d_кам= 1,27 х (271,63/(3600 х 1,13 х 50)) = 0,04 м

принимаем стандартный диаметр d=40 мм

Диаметр паропровода к калориферу камеры, м,

, (64)

где расход пара на сушку для зимних условий, кг/ч;

— принимается для магистралей 25÷40 м/с.

d_к= 1,27 х (111,67/3600 х 1,13 х 40) = 0,029 м

Принимаем стандартный диаметр d = 32 мм

Диаметр паропровода к увлажнительным трубам, м,

, (65)

d_увл= 1,27 х (271,63– 111,67/3600 х 1,13 х 25) = 0,045 м

Принимаем стандартный диаметр d = 50 мм

Диаметр конденсационного трубопровода от калорифера камеры, м,

, (66)

где — плотность конденсата, кг/м³ (выбирается в зависимости от давления в трубопроводе, табл. 2.9);

— скорость конденсата, м/с (принимается от 0,5 до 1 м/с).

d_к= 1,27 х (111,67/3600 х 1,13 х 1) = 0,18 м

Принимаем стандартный диаметр d = 180 мм

Диаметр конденсационной магистрали, м,

(67)

где — количество камер в цехе;

— принимается 1÷1,5 м/с.

d_{конд.маг.} = 1,27 х ((111,67х 22)/(3600 х 1,13 х 1)) = 0,87 м

3.11. Выбор конденсатоотводчиков

Выбор их производится по коэффициенту пропускной способности , кг/ч,

(68)

где —расход пара на сушку в зимних условиях, равный расходу горячего конденсата, кг/ч;

— перепад давления в конденсатоотводчике, МПа;

— плотность конденсата, кг/м³;

— коэффициент, учитывающий снижение пропускной способности конденсатоотводчика при удалении горячего конденсата по сравнению с холодным;

k_v = 20 x 111,67/ 0,29 х 0,09 х 945 = 836,48 кг/ч

Выбираем конденсатоотводчик 45ч15нж имеющий условный проход 20 мм