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/(м2 0С); t – конечная температура нагрева тела, 0С; tB – температура воздуха в установке, принимаемая ориентировочно на 100С выше начальной температуры тела tH; - 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=Pуст/G=(Pизл+Рпр)/G, (2.69)
где: Pуст – установленная мощность электрооборудования, кВт; Pизл – суммарная установленная мощность излучателей, кВт; Рпр- 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 A0, 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 Т1, 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.