Расчет установок инфракрасного нагрева

Задачей расчета являетсяопределение необходимой энергетической облученности нагреваемого материала, времени нагрева и площади облучаемой поверхности, а также выбор излучателей и их размещение в установке.

Исходные данные:

· Температура нагреваемого материала,

· его оптические и теплофизические свойства,

· производительность установки или скорость подачи материала,

· допустимая скорость нагрева и др.

Последовательность расчета.

Необходимая энергетическая облученность, Вт/м²,

, (2.57)

где: α – суммарный (конвекцией и излучением) коэффициент теплоотдачи от нагреваемого тела к окружающей среде (в практических расчетах принимают 18…24 Вт/(м^{2 0}С); t – конечная температура нагрева тела, ⁰С; t_B – температура воздуха в установке, принимаемая ориентировочно на 10⁰С выше начальной температуры тела t_H; - отношение площадей полной поверхности А к облучаемой ее части А₀; ξ – коэффициент поглощения излучения телом.

Продолжительность нагрева, с

, (2.58)

где величина В, ⁰С/с, D, с^-1 определяют по формулам

, (2.59)

, (2.60)

где: q – скорость испарения, кг/(м²с); σ=A/V – отношение площади полной поверхности облучаемого тела к его объему, м^-1; r – удельная теплота испарения, Дж/кг; с- удельная теплоемкость облучаемого тела, Дж/(кг⁰С); р – плотность облучаемого тела, кг/м³.

При нагреве (прогреве) тел, когда испарением влаги можно пренебречь, ⁰С/с

. (2.61)

Скорость перемещения тела под излучателями, м/с

v=G/pbδ, (2.62)

где: G – производительность установки, кг/с, b – ширина площади облучаемой поверхности (ширина транспортера, заполняемого облучаемым телом), м; δ – толщина облучаемого тела (слоем материала), м.

Площадь облучаемой поверхности, м²,

А₀=bvτ. (2.63)

Длина площади облучаемой поверхности, м

L=A₀/b. (2.64)

Расчетная суммарная мощность излучателей, Вт

, (2.65)

где: k=1,1…1,2 – коэффициент запаса; η – энергетический КПД излучателя (табл. 15.1); u=0,75…0,85 – коэффициент эффективности излучателей, зависящий от степени наполнения камеры облучаемыми телами и отношения расстояния между излучателями l к высоте подвеса h; а=1,07…1,09 – коэффициент многократных отражений.

Количество излучателей

n=P/P₁ , (2.66)

где Р₁ – номинальная мощность одного излучателя.

Количество излучателей должно быть кратным трем

Т а б л и ц а 2.6.Характеристики ламп-термоизлучателей для инфракрасного

Нагрева

Тип лампы	Напря-жение, В	Мощность, Вт	Диаметр колбы, мм	Длина, мм	Температура излучения, 0С	Λ, мкм	η
Инфракрасные зеркальные лампы накаливания
ИКЗ127-250					16500…2000	1,5…1,15	0,65…0,80
ИКЗ127-500-1
ИКЗ127-500
ИКЗ220-250
ИКЗ220-50-1
ИКЗ220-500
Галогенные лампы-термоизлучатели
КГТ220-600					1650…2200	1,5…1,15	0,72…0,86
КГТ220-1000
КГТ220-1000-1
КГТ220-1500			10,75
КГТ220-600
КГТ220-1000
КГТ220-2500
КГТ220-2500-1
КГТ220-2500-2

Т а б л и ц а 2.7.Ориентировочные коэффициенты поглощения излучения

Материал	ξ	Материал	ξ
Кукуруза Ячмень Рожь Пшеница Древесина сухая Алюминий полированный	0,45 0,50 0,85 0,90 0,70 0,04	Краска белая Бумага белая Нихром чистый Кирпич шамотный Чугун необработанный	0,20 0,25 0,75 0,85 0,90

Расстояние между излучателями l в камере облучения должно отвечать следующим условиям;

при расположении излучателей в коридорном порядке

, (2.67)

Для шахматного расположения

. (2.68)

Высоту подвеса излучателей h рассчитывают по методу угловых коэффициентов или эпюре облученности излучателей.

В упрощенных расчетах при равномерном заполнении облучаемой поверхности нагреваемыми телами коэффициент эффективности излучателей u принимают равным u=l/h и из этого отношения находят h.

Удельный расход электроэнергии нагрев, кВт ч/кг

Э=P_уст/G=(P_изл+Р_пр)/G, (2.69)

где: P_уст – установленная мощность электрооборудования, кВт; P_изл – суммарная установленная мощность излучателей, кВт; Р_пр- то же приводов механизмов, кВт; G – производительность, кг/ч.

Рис. 2.10 а – конструктивная схема инфракрасной сушилки зерна: б – схема размещения ламп-термоизлучателей над транспортером; 1- загрузочный бункер;

2- регулятор подачи зерна; 3-ленточный транспортер; 4-лампы – термоизлучатели;

5-выгрузочное устройство; 6-вход воздуха для удаления влаги.

Задание для самостоятельного решения

Рассчитать основные параметры установки транспортерного типа (рис. 2.10) производительностью G=300 кг/ч для про­грева инфракрасным излучением семян пшеницы относительной влажностью W=13% до температуры Т=55°С. Исходная температура семян =18 . Удельная теплоемкость зерна с=1650Дж/(кг°С), насыпная плотность =650 кг/м³. Семена поступают на транспортерную ленту сло­ем водно зерно ( =3 10³м).

Последовательность расчета

1. Принимаем температуру воздуха в установке на 10°С выше ис-ходной температуры семян: _в=18+10=28°С, суммарный коэффициент теплообмена семян с воздухом =24 Вт/(м² °С), отношение пло­щадей полной поверхности слоя семян к облучаемой поверхности = А/А₀ =2 .

2. Необходимая энергетическая облученность (ф.2.57)

3. Определяем величины D по (ф.2.60) и В по (ф.2.61)

4. Продолжительность прогрева семян до конечной температуры 55 С (ф.2.58)

5. Величина =

6. Принимаем по конструктивным соображениям ширину транспортерной ленты b=0,8 м.

7. Скорость перемещения семян (ф.2.62)

8. Площадь облучаемой поверхности .

9. Рабочая длина транспортера облучаемая семенами .

10. Расчетная суммарная мощность излучателей (ф. 2.65) (к=1,1, =0,8, и=0,7, а=1,07)

11. По расчетной площади поверхности A_0, сообразуясь с рекомендациями по размещению ИК источников (ф.2.67), (ф.2.68), выбираем ламповые излучатели ИКЗ-220-250 (табл.2.6) и размещаем их в шахматном порядке.

12. Определяем количество ламп n.

13. Расстояние между лампами (ф.2.68).

14. Определяем длину облучаемой части транспортера.

15. Высоту подвеса ламп термоизлучателей определим, используя отношение n = . При принятом значении n=0,7, h=0,33/0,7=0,47 м.

Принимая, по опыту аналогичных по назначению и производительности установок, мощность электропривода 2 кВт, определяем удельный расход электроэнергии (ф.2.69).

2.7. Выбор низкотемпературных трубчатых излучателей

Для сушки зерна

Задачей расчета являетсяопределение необходимой энергетической облученности нагреваемого материала, времени нагрева и площади облучаемой поверхности, а также выбор излучателей и их размещение в установке.

Исходные данные:

· Схема ИК сушилки,

· температура нагрева зерна,

· степень черноты зерна,

· длина волны излучения для эффективного проведения дезинсекции и прогрева зерна,

· мощность дезинсектора - прогревателя,

· площадь по­верхности облучения зерна,

· материал экрана.

Последовательность расчета

Схема для выбора низкотемпературных трубчатых излучателей приведена на рисунке 2.11. Ряд линейных излучателей 1, расположенных в одной плоскости и имеющих температуру Т_1, суммарную актив­ную поверхность F₁ и степень черноты _1, облучает рабочую по­верхность 2 (Т₂, F₂, ), расположенную параллельно плоскости излучателей. Экран 3 выполнен из материала, обладающего ко­эффициентом поглощения . Такие системы применяются в су­шильных, обогревательных и других установках.

Активная поверхность излучателей определяется значением пе­редаваемой мощности, геометрическими параметрами системы и физическими свойствами участвующих в теплообмене тел.

Рис. 2.11. Терморадиационная установка для сушки зерна

Рис. 2.12. Расчетная схема к выбору излучателей

Мощность определяется формулой Стефана — Больцмана:

Р =5,7 , (12.70)

где приведенная степень черноты излучателей и рабочей

поверхности , взаимная излучающая поверхность, ,

коэффициент, учитывающий поглощение энергии экраном.

Систему можно рассматривать как замкнутую, для которой степень черноты:

, (2.71)

где средние по поверхности коэффициенты облученности участвующих в теплообмене тел, то же, без экрана.

Коэффициенты облученности для рассматриваемой системы имеют вид :

; ) ,

,

(2.72)

,

где D и а – диаметр и шаг излучателей.

Взаимная излучающая поверхность:

H = = . (2.73)

При заданном значении :

=f . (2.74)

Вторую зависимость для находят из уравнения теплового баланса с учетом формулы (2.73):

= . (2.75)

Функции (2.74) и (2.75) зависят от отношения по разному.

Оптимальное значение находят путем совместного графического решения этих функций в некотором диапазоне изменения (практически в пределах от 1 до 5). Точка пересечения кривых f( ) и ( ) дает необходимые значения

и . Выбрав диаметр излучателя D, находят а и число излучателей n из соотношения :

= , (7 2.76)

где L - длина излучателя, выбираемая с учетом размеров облучаемой поверхности, м.

Задание для самостоятельного решения

Выбрать трубчатые излу­чатели для дезинсектора - прогревателя зерна мощностью N=30 кВт, камера облу­чения которого выполнена по схеме, при­веденной на рисунке 2.11. Облучаемая по­верхность зерна F₂=1,2 м² (2,0 0,6 м). Экран выполнен из полированного алю­миния ( =0,05).

F , 2

Рис. 2.13. Зависимость = f ( )

Последовательность расчета

1. Для дезинсекции и прогрева зерна эффективно излучение с длиной волны =3,7 – 5,5 мкм. Этому значению соответствует температура излучателей =(527 – 728). Принимаем =650 К.По агротехническим условиям температура нагрева зерна 323 К. Степень черноты зерна =0,7.

Для сушки рекомендуются трубчатые нагреватели типа ТЭН, =0,9.

2. Задаваясь значением в пределах от 1 до 5 по зависимостям 2.72 и 2.73, строим на графике (см. рис. 2.13) функцию =f ( ) (кривая 1)

3. Подставляем в формулу 2.75 исходные данные.

4. Используя принятые значения и соответствующие им значения

, строим на графике функцию = (кривая 2). Пересечение кривых дает оптимальные значения , .

5. Трубчатые излучатели ТЭН-37 имеют наружный диаметр D =13,5 мм. Приняв L=0,6 (равным ширине облучаемой поверхности), получим по формуле (2.76) количество излучателей n.

6. Мощность одного излучателя определяем по формуле .

7. Выбираем по справочнику ТЭН (P).

8. Необходимое количество излучателей n= .

9. Общая мощность , кВт

10. Определяем действительный и расчетный шаг излучателей

- действительный а=

- расчетный а = ( ) D

11. При совпадении действительного и расчетного шага расчет закончен.