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.

2.8.1. Определение расхода тепла на прогрев древесины

1. Для зимних условий, кДж/м³,

, (2.27)

где ρ_W – плотность древесины расчетного материала при заданной начальной влажности

W_н, кг/м³;

ρ_б – базисная плотность древесины расчетного материала, кг/м³;

W_н – начальная влажность расчетного материала, %;

W_г.ж – содержание не замерзшей гигроскопической влаги, %;

с_(-) – средняя удельная теплоемкость при отрицательной температуре, кДж(кг · ºС);

с₍₊₎ – средняя удельная теплоемкость при положительной температуре, кДж(кг · ºС);

t_пр – начальная расчетная температура для зимних условий, ºС;

t₀ – температура древесины при ее прогреве, ºС;

γ – скрытая теплота плавления льда, кДж/кг.

Плотность древесины расчетного материала ρ_W, кг/м³, при заданной начальной влажности W_н, % находится по диаграмме 12, с.34 /2/. Зная начальную влажность древесины

( в данном случае сосны) из спецификации W_н = 99 % и базисную плотность древесины (пихты) табл.1.2, с.9 /1/ ρ_б = 400 , кг/м³, получаем плотность древесины расчетного материала ρ_W = 795 кг/м³.

Расчетная температура для отопления в городе Нижний Новгород определяется по таблице 2.5, с.39/1/.

По графику 2.3, с.37 /1/, определяем содержание незамерзшей связанной влаги, %. Принимаем температуру t₀ = -29 ºС. Следовательно, содержание незамерзшей связанной влаги W_г.ж = 15,5 %. Принимаем скрытую теплоту плавления льда γ = 335 кДж/кг по рекомендациям на с.37 /1/.

Пор таблице 2.4, с.38 /1/ определяем температуру среды при прогреве пиломатериалов. Для форсированного режима и толщины древесины S = 22 мм температура t_пр = 98 ºС.

Средняя температура древесины, ºС,при средней удельной теплоемкости при отрицательной температуре с_(-),кДж/(кг · ºС), находится по формуле на с.38 /1/

, (2.28)

где t₀ – расчетная температура древесины, ºС.

Подставляем известное значение в формулу (2.28)

ºС.

Средняя температура древесины, ºС,при средней удельной теплоемкости при положительной температуре с₍₊₎,кДж/(кг · ºС), находится по формуле на с.38 /1/

, (2.29)

где t_пр –температура древесины при ее нагреве, ºС.

Подставляем известное значение в формулу (2.29)

ºС.

Удельная теплоемкость древесины определяется по рисунку 13, с.34 /2/.

Получаем с_(-) = 2,18 кДж/(кг · ºС) и с₍₊₎ = 3,24 кДж/(кг · ºС).

Подставляем известные значения в формулу (2.27)

кДж/м³.

2. Для среднегодовых условий, кДж/м³,

, (2.30)

где ρ_W – плотность древесины расчетного материала при заданной начальной влажности

W_н, кг/м³;

с₍₊₎ – средняя удельная теплоемкость при положительной температуре, кДж(кг · ºС);

t_пр – начальная расчетная температура для зимних условий, ºС

t₀ – среднегодовая температура древесины, ºС;

По таблице 2.5, с.39 /1/ находим среднюю годовую температуру для города Нижний Новгород, t₀ = 3,6 ºС.

По формуле на с.38 /1/ находим среднюю температуру древесины

, (2.31)

где t_пр –температура среды при прогреве пиломатериалов, ºС

t₀ – среднегодовая температура древесины, ºС.

Подставляем известные значения в формулу (2.31)

ºС.

Удельная теплоемкость древесины при положительной температуре с₍₊₎, кДж(кг · ºС) определяется по диаграмме на (рис.13), с.34 /2/.

Удельная теплоемкость древесины при положительной температуре с₍₊₎ = 3,25 кДж(кг · ºС)

Подставляем известные значения a формулу (2.30)

кДж/м³.

Удельный расход тепла, кДж/кг, при начальном прогреве на 1 килограмм испаряемой влаги для зимних условий определяется по формуле (2.37), с.39 /1/

, (2.32)

где q_пр – расход тепла на начальный прогрев одного м³ древесины, кДж/м³;

т – масса влаги испаряемой из одного м³ древесины, кг/м³.

Подставляем известные значения в формулу (2.32)

кДж/кг.

Удельный расход тепла, кДж/кг, при начальном прогреве на 1 килограмм испаряемой влаги для среднегодовых условий определяется по формуле (2.32)

кДж/кг.

Общий расход тепла на камеру при начальном прогреве, кВт, определяется по формуле (2.38), с.39 /1/

, (2.33)

где q_пр – расход тепла на начальный прогрев одного м³ древесины, кДж/м³;

Е – вместимость камеры, м³;

τ_пр – продолжительность прогрева, ч.

Принимаем продолжительность прогрева для зимних условий τ_пр = 4,4 часа по рекомендациям на с.39 /1/.

Подставляем известные значения в формулу (2.33)

кВт.

Принимаем продолжительность прогрева для лентих условий τ_пр = 3,3 часа по рекомендациям на с.39 /1/.

Подставляем известные значения в формулу (2.32)

кВт.

2.8.2 Определение расхода тепла на испарение влаги

Удельный расход тепла на испарение влаги в лесосушильных камерах с многократной циркуляцией при сушке воздухом, кДж/кг, определяется по формуле (2.40), с.40 /1/

, (2.34)

где I₂ – теплосодержание воздуха на выходе из штабеля, кДж/кг;

I₀ – теплосодержание свежего (приточного) воздуха, кДж/кг;

d₂ – влагосодержание воздуха на выходе из штабеля, г/кг;

d₀ – влагосодержание свежего (приточного) воздуха, г/кг;

c_В – удельная теплоемкость воды, кДж/(кг · ºС);

t_пр – температура нагретой влаги в древесине, ºС.

Для летних условий принимаем теплосодержание приточного воздуха I₀ = 46 кДж/кг, влагосодержание свежего воздуха d₀ = 10 г/кг по рекомендациям на с.40 /1/.

Удельная теплоемкость воды c_В = 4,19 кДж/(кг · ºС).

Подставляем известные значения в формулу (2.34)

кДж/кг.

Общий расход тепла на испарение влаги, кВт, найдем по формуле (2.42), с.40 /1/

, (2.35)

где q_исп – удельный расход тепла на испарение влаги, кДж/кг;

т_р – расчетная масса испаряемой влаги, кг/с.

Подставляем известные значения в формулу (2.35)

кВт.

Для зимних условий принимаем теплосодержание приточного воздуха I₀ = 10 кДж/кг, влагосодержание свежего воздуха d₀ = 2 г/кг по рекомендациям на с.40 /1/.

Удельная теплоемкость воды c_В = 4,19 кДж/(кг · ºС).

Подставляем известные значения в формулу (2.34)

кДж/кг.

Общий расход тепла на испарение влаги, кВт, найдем по формуле (2.35)

кВт.

2.8.3 Потери тепла через ограждения камеры

Теплопотери, кВт, через ограждения камеры вычисляются по формуле (2.43), с.40 /1/

, (2.36)

где ΣF_ог – суммарная поверхность ограждения камеры, м²;

k – коэффициент теплопередачи соответствующего ограждения, Вт/(м² · ºС);

t_с – температура среды в камере, ºС;

t₀ – расчетная температура наружного воздуха, ºС.

На рисунке 2.2 схематично показана камера переодического действия СПЛК-2 со следующими внутренними размерами: L΄= 7,21 м (длина наружной боковой стены); В = 5,6 м (ширина торцовой стены стены, выходящей в траверсный коридор); В΄= 3,7 м (ширина торцовой стены, выходящей в коридор управления); Н = 3 м (высота камеры); d = 1,8 м (ширина скошенных торцово-боковых стен); В = 4 м (ширина двустворчатой двери); h = 2,95 м (высота двустворчатой двери).

Расчет теплопотерь производится отдельно для каждой поверхности. Это вызвано тем, что материал и толщина ограждений различны.

Потери тепла через междукамерные боковые стены в расчет не принимаются.

Расчет ведется, как правило, для крайней меры блока без учета потерь через междукамерную боковую стену.

Расчет поверхности ограждений камеры выполняем в виде таблицы 2.1.

Таблица 2.1

Расчет поверхности ограждений камеры

Наименование ограждений	Формула	Площадь, м2
1.Наружная боковая стена	Fбок = LH	21,63
2.Торцовая стена со стороны коридора управления	F΄торц = ВH	11,10
3.Торцовая стена со стороны траверсного пути без учета площади дверей	F˝торц = F΄торц – Fдв	5,00
4.Перекрытие	Fпот = ВL	47,77
5.Пол	Fпол = ВL	47,77
6.Дверь	Fдв = bh	11,80
7.Скошенная торцово-боковая стена	Fс = dH	10,8

Схема к расчету теплопотерь тепла через ограждения камеры

Рис. 2.2

Коэффициент теплопередачи многослойных ограждений, Вт/(м² · ºС),рассчитываем по формуле (2.44), с.42 /1/

, (2.37)

где α_вн – коэффициент теплоотдачи для внутренних поверхностей ограждений,

Вт/(м² · ºС);

α_н – коэффициент теплоотдачи для наружных поверхностей ограждений,

Вт/(м² · ºС);

δ₁,δ₂ ,...,δ_n – толщина слоев ограждений, м;

λ₁ λ₂ ,...,λ_n – коэффициент теплопроводности материалов соответствующих слоев

ограждений, Вт/(м² · ºС);

При проектировании современных лесосушильных камер коэффициент теплопередачи ограждений не должен превышать k ≤ 0,7 Вт/(м² · ºС) во избежании конденсации водяных паров сушильного агента на внутренних поверхностях ограждений.

Рассчитываем коэффициент теплопередачи k_ог, Вт/(м² · ºС), для наружной боковой стены, торцовой стены, выходящей в коридор управления, торцовой стены, выходящей в траверсный коридор и двух торцово-боковых стен. Схема этих ограждений представлена на рис.2.3

Схема многослойного ограждения стен

1 – пенобетон;

2 – кирпич;

3 – штукатурка;

4 – минеральная вата.

Рис 2.3

Коэффициент теплоотдачи для внутренних поверхностей ограждений ориентировочно принимается α_вн = 25 Вт/(м² · ºС), коэффициент теплоотдачи для наружных поверхностей ограждений для отапливаемых помещений принимается α_н = 9 Вт/(м² · ºС).

Принимаем толщину слоев ограждений для пенобетона δ₁ = 0,2 м, для кирпича δ₂ = 0,5 м, для штукатурки δ₃ = 0,015 м, для минеральной ваты δ₄ = 0,05 м.Коэффициенты теплопроводности материалов λ, Вт/(м² · ºС), берем из таблицы 2.6, с.42 /1/Коэффициенты теплопроводности для пенобетона λ₁ = 0,4 Вт/(м² · ºС), для кирпича λ₂ = 0,8 Вт/(м² · ºС), для штукатурки λ₃ = 0,9 Вт/(м² · ºС), для минеральной ваты λ₄ = 0,07 Вт/(м² · ºС).

Подставляем известные значения в формулу (2.37)

Вт/(м² · ºС).

Рассчитываем коэффициент теплопередачи k_дв, Вт/(м² · ºС), для двери.

Схема ограждения представлена на рис.2.4

Схема многослойного ограждения двери

1 – минеральная вата;

2 – листовой асбест;

3 – воздух;

4 – рубероид.

Рис. 2.4

Принимаем толщину слоев ограждений для минеральной ваты δ₁ = 0,09 м; суммарная толщина слоев листового асбета δ₂ = 0,002 + 0,002 + 0,002 = 0,006 м; суммарная толщина воздушной прослойки δ₃ = 0,002 +0,002 = 0,004 м; для рубероида δ₄ = 0,002 м.

Коэффициент теплопроводности материалов λ, Вт/(м² · ºС), берем из таблицы 2.6, с.42 /1/

Коэффициенты теплопроводности для минеральной ваты λ₁ = 0,07 Вт/(м² · ºС), для листового асбеста λ₂ = 0,22 Вт/(м² · ºС), для воздуха λ₃ = 0,034 Вт/(м² · ºС), для рубероида λ₄ = 0,17 Вт/(м² · ºС).

Подставляем известные значения в формулу (2.37)

Вт/(м² · ºС).

Рассчитываем коэффициенты теплопередачи k_пер, Вт/(м² · ºС), для перекрытия.

Схема ограждения представлена на рисунке 2.5

Схема многослойного ограждения перекрытия

1 – рубероид;

2 – вата минеральная;

3 – пенобетон;

4 – железобетон;

5 – штукатурка.

Рис. 2.5

Принимаем толщину слоев ограждений для рубероида δ₁ = 0,01 м, для ваты минеральной δ₂ = 0,04 м, для пенобетона δ₃ = 0,3 м, для железобетона δ₄ = 0,1 м; для штукатурки δ₅ = 0,001 м;

Коэффициенты теплопроводности для рубероида λ₁ = 0,17 Вт/(м² · ºС), для ваты минеральной λ₂ = 0,07 Вт/(м² · ºС), для пенобетона λ₃ = 0, 4 Вт/(м² · ºС), для железобетона λ₄ = 1,6 Вт/(м² · ºС), λ₅ = 0,9 Вт/(м² · ºС).

Подставляем известные значения в формулу (2.37)

Вт/(м² · ºС).

Коэффициент теплопередачи пола k_пол, Вт/(м² · ºС), найдем по формуле (2.45), с.42 /1/

k_пол = 0,5 · k_ог. (2.38)

где k_ог – коэффициент теплопередачи через ограждения, Вт/(м² · ºС).

Подставляем известные значения в формулу (2.38)

k_пол = 0,5 ·0,503 = 0,252 Вт/(м² · ºС).

Теплопотери Q_i, кВт, через данное ограждение камеры в единицу времени (секунду) вычисляются по формуле (2.43), с.40 /1/

, (2.39)

где F_i – площадь поверхности данного ограждения, м²;

K_i – коэффициент теплопередачи данного ограждения, Вт/(м² · ºС);

t_c – температура среды в камере, ºС;

t₀ – температура наружного воздуха, ºС.

Температуру среды в камере, ºС, определим по формуле на с.44 /1/

, (2.40)

где t₁ – температура воздуха на входе в штабель, ºС;

t₂ – температура воздуха на выходе из штабеля, ºС.

Подставляем известные значения в формулу (2.40)

ºС.

Так как сушильные камеры установлены в отапливаемом помещении, то температура наружной среды для всех ограждений, кроме пола, принимается t₀ = 17 ºС. Для пола принимаем наружную температуру t₀ = 10 ºС. Данные взяты по рекомендациям на с.41 /1/.

1) Рассчитаем теплопотери Q₁, кВт, для наружной боковой стены, подставляя соответствующие значения площади из таблицы 2.1 в формулу (2.39).

кВт.

Остальные расчеты произведем аналогично.

2 )Рассчитаем теплопотери Q₂, кВт, для торцовой стены со стороны коридора управления.

кВт.

3) Рассчитаем теплопотери Q₃, кВт, для торцовой стены со стороны траверсного пути без учета площади дверей.

кВт.

4) Рассчитаем теплопотери Q₄, кВт, для перекрытия.

кВт.

5) Рассчитаем теплопотери Q₅, кВт, для пола.

кВт.

6) Рассчитаем теплопотери Q₆, кВт, для двери.

кВт.

7) Рассчитаем теплопотери Q₁, кВт, для скошенных торцово-боковых стен, подставляя соответствующие значения площади из таблицы 2.1 в формулу (2.38). Так как две торцово-боковых стены при расчете объединены в одну, то площадь поверхности ограждения для одной стены, рассчитанную в таблице 2.1, в данном случае увеличиваем в два раза.

кВт.

Результаты расчета потерь тепла через ограждения представим в виде таблицы 2.2.

Таблица 2.2