Глава 7. Расчет шахтной сушилки

Описание конструкции и принцип работы

Шахтной сушилки

Пример расчета шахтной сушилки

Задание на проектирование. Рассчитать шахтную прямоточную зерносушилку с двумя зонами сушки и зоной охлаждения. Примем: вид топлива: жидкое – тракторный керосин; высушиваемый продукт – пшеница продовольственного назначения; производительность сушилки П₁= 32 т/ч; параметры наружного воздуха: температура t₀ = 5 °С; относительная влажность φ₀= 65 %; влажность зерна: на входе в сушилку w₁^'''= 20 %; на выходе из нее w₂^''' = 14 %; температура зерна на входе в сушилку θ₁^'''= 3 °С.

Составим расчетную схему сушилки (рис. 1).

Рис. 1. Расчетная схема сушилки с обозначением параметров и расходов

Температуру агента сушки на входе в сушилку выбираем согласно режимам сушки зерна в зависимости от культуры, качества, назначения, начальной влажности зерна и типа зерносушилки: для первой зоны сушки = 130 °С, для второй = 150 °C.

Максимальную температуру нагрева зерна (на выходе из второй зоны) также выбираем из таблицы .

Характеристику топлива выбираем по справочным данным (см. табл. 12). Для тракторного керосина низшая удельная теплота сгорания на рабочую массу кДж/кг; элементарный состав (%): ; ; ; ; .

Снижением влажности зерна по зонам сушилки, температурой зерна на выходе из первой зоны и зоны охлаждения, параметрами состояния агента сушки и наружного воздуха на выходе из сушилки зададимся на основе опыта эксплуатации шахтных прямоточных зерносушилок. Примем снижение влажности зерна в первой зоне в размере 3 %, во второй 2 %, в зоне охлаждения 1 %. Тогда получим влажность зерна на выходе из первой зоны , на выходе из второй .

Примем температуру зерна на выходе из первой зоны .

В расчете примем следующие обозначения основных величин: t – температура воздуха и агента сушки, °С; – температура зерна, °С; – относительная влажность воздуха и агента сушки, %; d – влагосодержание воздуха и агента сушки, %; w – влажность зерна (на общую массу), %; I – энтальпия воздуха и агента сушки, кДж/кг; П – производительность сушилки, т/ч; G – масса зерна, проходящего за 1 ч через сушилку, т; W – масса испаренной влаги.

Буквенные обозначения будем отмечать верхним и нижним индексами. Нижние индексы: «0» — параметры наружного воздуха, «1» – величины на входе в сушилку, «2» – на выходе из нее. Верхние индексы', ", "', присваиваем величинам, относящимся соответственно к первой, второй зонам сушки и третьей зоне (охлаждения).

Методика расчета

Тепловой расчёт

На рис. 1 показана расчетная схема непрерывно действующей зерносушилки, работающей на нагретом воздухе (а) и на смеси воздуха с продуктами сгорания топлива (б). В первом случае наружный воздух с температурой t₀, относительной влажностью φ₀, влагосодержанием d₀ и энтальпией J₀ входит в калорифер, где нагревается и с параметрами t₁ , φ₁, d₁, I₁ поступает в сушильную камеру. При нагреве воздуха в калорифере его влагосодержание не изменяется, т. е. d₁ = d₀. Во втором случае, при нагреве воздуха смешиванием его с продуктами сгорания топлива, влагосодержание смеси больше, чем у наружного воздуха, т. е. d₁ > d₀. После сушильной камеры состояние агента сушки характеризуется параметрами t₂ , φ₂, d₂, I₂.

Рис. 1. Расчетная схема прямоточной сушилки:

а – с нагревом воздуха в калорифере; б – с нагревом воздуха в смесительной камере топки; I – наружный воздух; II – смесь топочных газов с воздухом; III – топливо; IV – сжатый воздух; V – сушильная камера; VI – охладительная камера; VII – отработавший воздух; VIII – отработавший агент сушки

Сырое зерно, пропускаемое через сушилку с расходом G₁ и имеет влажность ω₁ и температуру ₁. В процессе сушки влажность зерна снижается с ω₁ до ω₂, температура возрастает с ₁ до ₂, а расход убывает с G₁ до G₂.

В охладительной камере зерно продувается наружным воздухом с параметрами t₀ , φ₀, d₀, I₀ . При охлаждении зерна из него испаряется влага, причем на испарение расходуется теплота, аккумулированная зерном в сушильной камере. На выходе из охладительной камеры воздух характеризуется параметрами t”₂ , φ”₂, d”₂, I”₂. Температура зерна снижается с ₂ до ₃, влажность с ω₂ до ω₃, а расход с G₂ до G₃.

Расчет испаренной влаги. Согласно закону сохранения вещества, расход сырого зерна равен расходу высушенного плюс испаренная влага, т. е.

(7.1)

где G₁ и G₂ – расходы сырого и высушенного зерна, кг/ч; W – испаренная влага, кг/ч.

Принимая во внимание, что содержание сухого вещества зерна при сушке мало изменяется и может быть принято постоянным, можно записать

(7.2)

где G₁ – производительность сушилки по влажному (исходному) зерну, т/ч; G₂ – производительность сушилки по высушенному зерну, т/ч.

Из уравнения (7.2) следует, что

(7.3)

или

(7.4)

Подставляя в уравнение (7.1) значения G₂ и G₁ из уравнений (7.3), (7.4), получим

(7.5)

где W – масса испаренной из зерна влаги, т/ч.

Определение расхода воздуха в сушильной камере. В процессе сушки влагосодержание агента сушки изменяется вследствие поглощения водяного пара, выделяемого зерном. Расход абсолютно сухого воздуха, содержащегося в агенте сушки, остается постоянным. В связи с этим все величины, характеризующие состояние агента сушки, относят к 1 кг абсолютно сухого воздуха.

Расход сухого воздуха определяют из уравнения баланса влаги для сушильной камеры:

(7.6)

где – влага, поступившая с сырым зерном, кг/ч; – влага, уносимая с просушенным зерном, кг/ч; – расход сухого воздуха, кг/ч; – влага, поступившая с воздухом, кг/ч; – влага, уносимая с воздухом, кг/ч.

После преобразования уравнения (7.6) получим

Разность представляет собой массу влаги, испаряемой из зерна в сушильной камере в час. Следовательно,

Отсюда расход (кг/ч) сухого воздуха (на 1 кг испаренной влаги) составит:

(7.7)

При работе сушилки на нагретом воздухе, т. е. когда , можно записать

(7.8)

Из уравнения (7.8) видно, что расход воздуха увеличивается с повышением влагосодержания наружного воздуха . Учитывая, что его влагосодержание в летнее время больше, чем в зимнее, вентилятор рассчитывают для летних условий.

Расход воздуха по объему можно определить, пользуясь формулой

где – объем влажного воздуха, приходящийся на 1 кг воздуха.

Проанализируем зависимость от параметров отработавшего агента сушки, уходящего из сушильной камеры. Для этого преобразуем уравнение (78), подставив в него значение которое определяем по уравнению

Для упрощения принимаем , так как влагосодержание наружного воздуха значительно меньше влагосодержания отработавшего агента сушки .

После подстановки получим

(7.9)

Из уравнения (7.9) видно, что удельный расход воздуха уменьшается: а) с увеличением т.е. с увеличением степени насыщения отработавшего агента сушки; б) с увеличением или, иначе говоря, температуры отработавшего агента сушки; в) с уменьшением давления .

Определение расхода теплоты на сушку. Для того чтобы рассчитать расход теплоты на сушку, составим уравнение теплового баланса сушильной камеры.

Приход теплоты. 1. Теплота, вносимая в сушильную камеру с агентом сушки,

где – расход сухого воздуха (агента сушки); – энтальпия агента сушки, поступающего в сушильную камеру.

Теплота может быть представлена в следующем виде:

где – энтальпия наружного воздуха; – количество теплоты, сообщенной воздуху в калорифере или в смесительной камере топки.

2. Теплота, поступающая в сушильную камеру с зерном,

где – соответственно расход, удельная теплоемкость сырого зерна и температура.

Теплота может быть представлена в виде:

(7.10)

где и – соответственно расход и удельная теплоемкость просушенного зерна; – удельная теплоемкость воды; – испаренная влага.

3. В самой сушильной камере может быть источник, сообщающий дополнительную теплоту .

Расход теплоты. 1.Теплота, уносимая из сушильной камеры с отработавшим агентом сушки,

где – энтальпия отработавшего агента сушки.

2. Теплота, уносимая из сушильной камеры с просушенным зерном, .

3. Потери теплоты в окружающую среду могут состоять из основной потери через ограждения сушильной камеры и потери с течкой агента сушки через неплотности .

Потерю теплоты через ограждения сушильной камеры рассчитывают по известным формулам теплопередачи, как сумму потерь отдельными участками, т. е.

где – общий коэффициент теплопередачи участка ограждения сушильной камеры; – площадь поверхности участка; – средняя разность температур для участка, – средняя температура агента сушки в сушильной камере, условно принимаемая как средняя арифметическая между значениями температур поступающего и отработавшего агента сушки, – температура наружного воздуха.

Потерю теплоты с утечкой агента сушки определяют по формуле

где – утечка агента сушки, ее определяют экспериментально; – удельная теплоемкость агента сушки при .

Представим уравнение теплового баланса сушильной камеры в развернутом виде:

Отсюда теплота, сообщаемая воздуху в нагревательном устройстве (в калорифере или смесительной камере топки), будет:

(7.11)

Заметим, что разность ( ) представляет собой расход теплоты на нагрев зерна. Обозначим ее через

Разделив обе части уравнения (7.11) на , т.е. относя расход теплоты к 1 кг испаренной влаги, после простых преобразований получим

(7.12)

Выражение в квадратных скобках представляет разность добавлений и затрат теплоты в сушильной камере, отнесенную к 1 кг испаренной влаги. Обозначим это выражение через , т. е.

(7.13)

Тогда уравнение (7.12) можно записать:

(7.14)

Расход теплоты на нагрев воздуха можно также определить по изменению его энтальпии в нагревательном устройстве сушилки, т.е.

или

(7.15)

На основе уравнений (7.14) и (7.15) получим

(7.16)

откуда

Уравнение (7.16) характеризует изменение энтальпии в сушильной камере. Рассмотрим изменение энтальпии для различных случаев работы сушильной камеры.

В так называемой теоретической сушилке отсутствуют потери теплоты на нагрев зерна и в окружающую среду, зерно поступает в нее с температурой 0 °С, и в самой сушилке нет источников дополнительного подвода теплоты. Для теоретической сушилки и, следовательно, .

В действительной сушилке теплота расходуется не только на испарение влаги, перегрев образующегося пара, но и на нагрев зерна, а также на компенсацию потерь теплоты в окружающую среду.

Изменение энтальпии воздуха в процессе сушки определяется знаком величины согласно уравнению (7.13). Величину можно назвать поправкой к действительной сушилке.

В подавляющем большинстве зерносушилок источник, сообщающий дополнительную теплоту зерну в самой сушильной камере, отсутствует, т. е. , а потеря теплоты значительно превышает величину . Поэтому в большинстве случаев

Следовательно,

Если , что наблюдается, например, в охладительных камерах зерносушилок или при сушке предварительно нагретого зерна, то .

При составлении уравнения теплового баланса исходят из того, что теплота, вносимая в сушильную камеру с агентом сушки, определяется его энтальпией . В действительности из-за снижения давления агента сушки в сушильной камере возникают термодинамические потери. Их необходимо учитывать при расчете общей поправки к действительной сушилке. В уравнении (7.13) наряду с потерями теплоты на нагрев зерна и в окружающую среду должны быть введены термодинамические потери . Общую поправку рассчитывают по уравнению

(7.17)

Для определения термодинамических потерь (кДж/кг влаги) Д. М. Левиным получено следующее выражение:

(7.18)

где – температура агента сушки при поступлении в сушильную камеру, К; – температура отработавшего агента сушки, К.

Определение расхода воздуха в охладительной камере. Процесс охлаждения зерна сопровождается испарением влаги, количество которой определяют по уравнению

Расход сухого воздуха, потребного для поглощения испаряемой влаги, определяют из уравнения баланса влаги для охладительной камеры:

(7.19)

где – расход сухого воздуха для охладительной камеры.

После преобразования уравнения (7.19) получим

Разность – представляет собой влагу, испаряемую из зерна в охладительной камере. Следовательно,

Удельный расход сухого воздуха для охладительной камеры будет:

(7.20)

Расход воздуха, рассчитанный по уравнению (7.20), должен быть достаточным не только для поглощения испаряемой влаги , но и для охлаждения зерна с температуры до .

Составим уравнение теплового баланса охладительной камеры.

Приход теплоты. 1. Теплота, вносимая в охладительную камеру с зерном, . Она может быть представлена в виде:

(7.21)

2. Теплота, вносимая в охладительную камеру с наружным воздухом, .

Расход теплоты. 1. Теплота, уносимая из охладительной камеры с зерном, .

2. Теплота, уносимая из охладительной камеры с отработавшим воздухом, .

3. Потери теплоты в окружающую среду рассчитывают по формуле

(7.22)

где – общий коэффициент теплопередачи через стенки охладительной камеры; – поверхность стенок охладительной камеры; – средняя температура зерна в охладительной камере, условно принимают как среднее арифметическое, ; – температура наружного воздуха.

Представим уравнение теплового баланса охладительной камеры в развернутом виде:

(7.23)

Отсюда расход воздуха, потребного для снижения температуры зерна с до ,

(7.24)

Выражение представляет собой теплоту, отдаваемую зерном в процессе охлаждения. Обозначим ее через :

Разделив обе части уравнения (7.24) на , т.е. относя расход воздуха к 1 кг испаренной влаги, после простых преобразований получим

(7.25)

Значение полученное из уравнения (7.25), должно согласовываться со значением, полученным из уравнения (7.20). В расчет принимают большее из полученных значений.

Снижение температуры зерна в охладительной камере ниже 0 °С в большинстве случаев считают нецелесообразным. Обычно значение (°С) определяют из условия

(7.26)

т. е. температура зерна после охладительной камеры не должна превышать температуру наружного воздуха больше, чем на 5...10 °С, вместе с тем эта температура не должна быть ниже 0 °С.

Температуру отработавшего воздуха на выходе из охладительной камеры рекомендуется принимать равной:

где – температура точки росы.