7.5. Определение основных технологических показателей процесса сушки

Схема технологического процесса сушки семян представлена на рис.5.

Рис. 5. Схема процесса сушки семян

Наружный воздух с температурой Т₀, относительной влажностью ₀, влагосодержанием d₀ и энтальпией (теплосодержанием) I₀ подается в калорифер 1 (или нагреватель любого другого типа). В результате нагрева параметры газа изменятся и в общем случае пусть окажутся со значениями Т₁, ₁, d_1, I₁ .

Теплоноситель с указанными параметрами поступает в сушильную камеру 2. После прохода нагретого воздуха через высушиваемое зерно параметры его вновь изменятся и окажутся на выходе из сушилки равными Т₂, ₂, d₂, I₂.

В сушильную камеру подается зерно в количестве G₁ с влажностью W₁ и температурой ₁.

На выходе из сушилки параметры зерна изменятся. Масса зерна после удаления влаги станет меньше, допустим G₂, снизится влажность W₂, и в результате передачи тепла от теплоносителя увеличится температура семян ₂.

Определение основных технологических характеристик процесса сушки ‑ затрат тепла на высушивание определенного количества зерна или другого материала и количества воздуха, которое необходимо пропустить через сушилку, ‑ позволит подобрать теплогенератор необходимой производительности, обеспечивающий сушку нужного объема сельскохозяйственного материала в заданное время.

Расчеты основных параметров сушки значительно упрощаются, если провести идеализацию технологического процесса. В этом случае считают, что сушилка работает без потерь тепла в окружающую среду и при постоянной температуре высушиваемого материала (т. е. все затраченое тепло расходуется только на испарение влаги).

Параметры теплоносителя на разных этапах сушки могут быть определены с помощью I-d-диаграммы. Для этого на диаграмме находят точку А, которая характеризует исходное состояние наружного воздуха.

Положение точки А на диаграмме определяют по значениям температуры Т и относительной влажности наружного воздуха ₀ (рис. 6).

Проектируя точку пересечения кривой ₀ с изотермой Т₀ на ось теплосодержания (под углом 135° к горизонту), можно найти значение I₀ и, опустив перпендикуляр на ось влагосодержания, ‑ d₀.

Процесс нагрева воздуха в калорифере идеальной сушилки будет происходить при постоянном влагосодержании d₀ (количество влаги остается в воздухе постоянным, если не учитывать поступления дополнительной влаги, допустим, из топлива). Положение точки В определится величиной допустимой температуры T₁ теплоносителя (определяемой режимом сушки).

Остальные параметры точки В ‑ энтальпия I₁ и относительная влажность воздуха легко определяются по I-d-диаграмме подобно тому, как это сделано для точки А.

Непосредственный процесс сушки зерна на I-d-диаграмме отражается отрезком ВС. Поскольку процесс идеализирован и потери тепла на данном этапе расчета не принимаются во внимание, то общее количество тепла в сушильной камере можно считать неизменным (постоянным). Линию ВС проводят вдоль по линии постоянного теплосодержания I₁ до пересечения с кривой ₂, характерной для степени насыщения отработанного теплоносителя. Обычно ₂ оказывается в пределах 70...80%, так как при более высокой степени насыщения возможна конденсация влаги из теплоносителя на внешние слои зерна.

Рис. 6. Определение характеристик процесса сушки для идеальной (теоретической) сушилки с помощью I-d-диаграммы

Итак, положение точки С определится пересечением линии I₁ с кривой ₂. Параметры точки С (I₂, ₂, d₂ и Т₂) находят по I-d-диаграмме обычным образом.

В качестве примера можно рассмотреть сушилку семян камерного типа, допустим ромбическую (рис. 7), в которую одновременно загружают определенное количество G₁ сырого зерна и высушивают до кондиционной влажности W₂ в течение определенного времени .

Рис. 7 Схема камерной ромбической сушилки

Характерными условиями сушки могут быть следующие:

• количество одновременно высушиваемого зерна – G₁ = 14000 кг;

• влажность материала до сушки, % W₁ = 20;

• влажность материала после сушки, % W₂ = 14;

• время сушки, час.  = 6;

• температура материала до сушки, ₁ = 18 С;

• температура материала после сушки, ₂ = 45 С;

• температура окружающего воздуха Т_в = 18С;

• влажность окружающего воздуха _о = 80%;

• плотность воздуха (с учетом температуры и атмосферного давления)  = 1,276 кг/м³.

С помощью I-d диаграммы находят параметры характеристик точек А, В, С

В точке А: Т_о = 18С; ₀ = 80%; d₀ = 10,4 г; I₀ = 44,4 кДж;

В точке В: Т₁ = 45С; ₁ = 17,2%; d₁ = 10,4 г; I₁ = 72,0 кДж;

В точке С: Т₂ = 26,6С; ₂ = 80%; d₂ = 17,9 г; I₂ = 72,0 кДж;

После определения параметров теплоносителя в характерных для процесса сушки точках вычисляют искомые технологические показатели.

Прежде всего подсчитывают количество влаги, которое необходимо удалить из высушиваемого материала:

кг, (16)

где W₂ ‑ конечная влажность зерна на выходе из сушилки (определяемая значением кондиционной влажности или величиной допустимого влагосъема).

За единицу времени (1 час) необходимо удалить W' кг влаги.

кг. (17)

Один килограмм сухого воздуха при данном режиме сушки может удалить из материала d₂ – d₁ граммов воды.

Тогда общая масса сухого воздуха, необходимая для удаления W' кг влаги, должна быть равна:

кг сух. возд. (18)

Количество исходого влажного воздуха окажется несколько большим:

L₀ = L  (1 + 0,001d_o) = 21705,33 (1 +0,001  10,4) = 21931,06 кг. (19)

Объем необходимого воздуха может быть найден по формуле

м³/ч, (20)

где _о ‑ плотность воздуха; допустим 1,276 при условиях существующего давления;

  1,293 кг (при температуре 0°С и нормальном барометрическом давлении).

Объем горячего воздуха определяют на основе закона Гей-Люссака:

м³/ч , (21)

где V_T ‑ объем воздуха при температуре Т°С.

Расход тепла, необходимого для нагрева одного килограмма теплоносителя, может быть определен по разности энтальпий воздуха в точках В и А.

Q₁ = I₁ – I₀ = 72,0 – 44,4 = 27,6 кДж. (22)

На общее количество нагреваемого воздуха в течение одного часа работы потребуется

Q = Q₁  L = 27,6  21705,33 = 599067,11 кДж/ч. (23)

Расчет технологических показателей процесса сушки в реальных условиях (без его идеализации) прежде всего требует определения потерь тепла.

Часть тепла будет затрачена на нагрев всего зернового материала.

кДж, (24)

где с_m ‑ теплоемкость зерновой массы.

Ранее уже было отмечено, что теплоемкость зерновой массы зависит от ее влажности:

, (25)

где с_сух ‑ теплоемкость сухого вещества зерна ‑ 1,55 кДж/(кгК); с_в ‑ теплоемкость воды ‑ 4,19 кДж/(кгК).

Расход тепла на нагрев зерна, отнесенный к единице времени работы сушилки,

кДж/ч. (26)

Другая часть тепла будет затрачена на нагрев стенок сушилки, воздуховодов, на тепловое излучение и т. д. Эти тепло- потери составляют 2...3% от расхода тепла на испарение влаги Q:

кДж.

Суммарный расход тепла составит тогда:

кДж/ч. (27)

Расчет общих затрат тепла в реальной сушилке может быть осуществлен с большей точностью, если параметры теплоносителя на выходе из сушилки определены не по точке С (характерной для идеальной сушилки), а по С', которую можно найти с учетом теплопотерь (рис. 6).

Поскольку часть тепла будет затрачена на нагрев зерна и теплопотери, то величина энтальпии, расходуемой на испарение, сократится:

. (28)

Если на I-d-диаграмме найти координаты точки С (по значению ₂ и I ) и повторить расчет, то найденное новое значение Q определит расход тепла, необходимый для сушки зерна в реальных условиях.

После вычисления значений Q и V_T в действительной сушилке можно произвести выбор калорифера или теплоагрегата, обеспечивающих найденные характеристики сушилки.

Более подробное изложение теории сушки сельскохозяйственных материалов можно найти в книгах [1], [2].