Конструктивно-поверочный расчет

Пример конструктивно-поверочного расчета шахтной

Рециркуляционной зерносушилки с квазиизотермическим

Режимом, созданной на базе шахтной прямоточной

Зерносушилки ДСП-32

Исходные для расчета данные:

Зерновая культура — пшеница мягкая на прочие нужды (продовольственного назначения) со слабой клейковиной; начальная влажность w₀ = 20%, конечная влажность w₃ = 14%.

Температура атмосферного воздуха — t₀ = 5 °С;

Топливо — газовое, с химическим составом (%):

Диоксид углерода СО2	0,25
Метан СН4	91,9
Этан С2Н6	4,15
Пропан C3H8	1,20
Бутан С4Н10	0,29
Пентан С5Н12	0,13
Азот N2	2,08
Плотность смеси rсм, кг/м3	0,729

Характеристика газов, входящих в состав газового топлива

Газ	Плотность, кг/м3	Теплота сгорания, кДж/м3
высшая	низшая
Диоксид углерода СО2	1,977	—	—
Метан СН4	0,717	39 758	35 831
Этан С2Н6	1,357	69 668	63 765
Пропан C3H8	2,019	99 143	91 272
Бутан С4Н10	2,672	128 493	118 675
Пентан С5Н12	3,219	157 905	146 119
Азот N2	1,250	—	—

Конструктивно-поверочный расчет

(Малин Н.И. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях.

Практическое пособие по выполнению курсовой работы. — М.: Изд-во ФГОУ ВПО МГАУ, 2006. — 48 с.)

1. Вычерчиваем функционально-параметрическую схему зерносушилки с нанесенными на нее условными обозначениями параметров зерна, агента сушки и воздуха.

2. Определяем исходные параметры атмосферного воздуха и температуру агента сушки.

Для этого по принятому значению температуры атмосферного воздуха t₀ = 5 °С и его относительной влажности (при наихудших условиях) j₀ = 100% с помощью прилагаемой (приложение 9) H, d—таблицы (при В = 99,3×10³ Па) определяем его влагосодержание d₀ = 5,51 г/кг и Н₀ = 18,84 кДж/кг.

Позонные (по зонам сушки зерносушилки) значения температуры агента сушки устанавливаем по рекомендуемым Инструкцией по сушке режимам с учетом конструкции рассчитываемой зерносушилки, а также рода, назначения и исходной влажности зерновой культуры. Для рассчитываемой зерносушилки, температура агента сушки на входе в устройство для подогрева зерна в кипящем слое t₁ = 130 °С, в 1-й и 3-й зонах сушки (согласно приложению 5) используется агент с температурой t₂ = 140 °С, а во 2-й — t₃ = 160 °С.

3. По химическому составу газового топлива, по формулам (1.3) и (1.4) рассчитываем значения его высшей и низшей теплоты сгорания кДж/м³).

(Q_в)^р = К_v1×(Q_в1)^р + К_v2×(Q_в2)^р + … + К_vn×(Q_вn)^р;

(Q_н)^р = К_v1×(Q_н1)^р + К_v2×(Q_н2)^р + … + К_vn×(Q_нn)^р,

где К_vi,×(Q_вi)^р, (Q_нi)^р — соответственно объемные доли (в долях единицы), а также высшая и низшая теплота сгорания горючих компонентов смеси, кДж/м³.

(Q_в)^р = 0,919×39758 + 0,0415×69688 + 0,012×99143 + 0,0029×128493 + 0,0013×157905 = 36537,6 + 2892,0 + 1189,7 + 372,6 + 205,3 = 41197,2 кДж/м³;

(Q_н)^р = 0,919×35831 + 0,0415×63765 + 0,012×91272 + 0,0029×118675 + 0,0013×146119 = 32928,7 + 2646,2 + 1095,3 + 344,2 + 190,0 = 37204,4 кДж/м³.

4. Рассчитываем теоретическое количество сухого воздуха L₀, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива, кг/кг.

Для газообразного топлива

L₀ = 1,38í0,0179×(CO) + 0,248×(H₂) + 0,44×(H₂S) + Sí[(m + 0,25n)/(12m + n)]×(C_mH_n)ý – (O₂)ý,

где (CO), (H₂), (H₂S), (C_mH_n), (O₂) — массовые доли (К_mi) компонентов газа, %; их определяют с учетом плотности r_I (кг/м³) i - го компонента газа и средней плотности r_ср газа из отношения K_mi = K_vi×(r_i/r_ср).

Для наших условий

L₀ = 1,38íSí[(m + 0,25n)/(12m + n)]×(C_mH_n)ýý = 1,38í[(1 + 0,25×4)/(12 + 4)]×(91,9×0,717/0,729) + [(2 + 0,25×6)/(12×2 + 6)]×(4,15×1,357/0,729) + [(3 + 0,25×8)/(12×3 + 8)]×(1,2×2,019/0,729) + [(4 + 0,25×10)/(12×4 + 10)]×(0,29×2,672/0,729) + [(5 + 0,25×12)/(12×5 + 12)]×(0,13×3,219/0,729)ý = 1,38í0,125×90 + 0,117×7,7 + 0,114×3,3 + 0,112×1,06 + 0,111×0,57ý = 1,38×(11,25 + 0,9 + 0,376 + 0,119 + 0,06) = 1,38×12,7 = 17,5 кг/кг.

5. Рассчитываем энтальпию водяного пара Н_п (кДж/кг) при температуре агента сушки t (°С) Н_п = r_{t = 0} + c_п×t:

в устройстве для предварительного подогрева сырого зерна

Н_п1 = r_{t = 0} + c_п×t₁ = 2500 + 1,88×130 = 2744,4 кДж/кг;

в 1-й и 3-й зонах сушки

Н_п2 = r_{t = 0} + c_п×t₂ = 2500 + 1,88×140 = 2763,2 кДж/кг;

в 3-й зоне сушки

Н_п3 = r_{t = 0} + c_п×t₃ = 2500 + 1,88×160 = 2800,8 кДж/кг.

По аналогии, для атмосферного воздуха

Н_п = r_{t = 0} + c_п×t₀ = 2500 + 1,88×5 = 2509,4 кДж/кг.

6. Рассчитываем значение коэффициента избытка воздуха a.

a = í(Q_в)^р×h_т – [Sí0,09n×(C_mH_n)/(12m + n)ý + 0,01W^p]×[2500(1 – h_т) + 0,88×t] – c_а.с×t + c_т×t_тý/íL₀×(0,001d₀×H_п – Н₀ + с_а.с×t)ý,

где h_т — КПД топки: для летних условий (t₀ > 0) h_т = 0,95; с_а.с, с_т — удельная теплоемкость соответственно агента сушки (с_а.с = 1,004 кДж/кг) и топлива (с_т = 2,2 кДж/кг); t_т — температура топлива: t_т = t₀ = 5 °С; d₀, H_п, H₀ — соответственно влагосодержание, энтальпия пара атмосферного воздуха и энтальпия атмосферного воздуха.

a₁ = í41197,2×0,95 – [0,09×4×90/16 + 0,09×6×7,7/30 + 0,09×8×3,3/44 + 0,09×10×1,1/58 + 0,09×12×0,6/72]×[2500(1 – 0,95) + 0,88×130] – 1,004×130 + 2,2×5ý/í17,5×(0,001×5,51×2509,4 – 18,84 + 1,004×130)ý = í39137,34 – [2,025 + 0,1386 + 0,054 + 0,017 + 0,009]×[125 + 114,4] – 130,5 + 11ý/í17,5×(13,827 – 18,84 + 130,5)ý = í39137,34 – [2,2436]×[239,4] – 130,5 + 11ý/í17,5×(125,5)ý =í39137,3 – [2,2436]×[239,4] – 130,5 + 11ý/í17,5×(125,5)ý = 38480,7/2196,2 = 17,5.

a₂ = í41197,2×0,95 – [0,09×4×90/16 + 0,09×6×7,7/30 + 0,09×8×3,3/44 + 0,09×10×1,1/58 + 0,09×12×0,6/72]×[2500(1 – 0,95) + 0,88×140] – 1,004×140 + 2,2×5ý/í17,5×(0,001×5,51×2509,4 – 18,84 + 1,004×140)ý = í39137,34 – [2,025 + 0,1386 + 0,054 + 0,017 + 0,009]×[125 + 123,2] – 140,6 + 11ý/í17,5×(13,827 – 18,84 + 140,6)ý = í39137,34 – [2,2436]×[248,2] – 140,6 + 11ý/í17,5×(135,6)ý =í39137,3 – [2,2436]×[248,2] – 140,6 + 11ý/í17,5×(135,6)ý = 38450,8/2373 = 16,2.

a₃ = í41197,2×0,95 – [0,09×4×90/16 + 0,09×6×7,7/30 + 0,09×8×3,3/44 + 0,09×10×1,1/58 + 0,09×12×0,6/72]×[2500(1 – 0,95) + 0,88×160] – 1,004×160 + 2,2×5ý/í17,5×(0,001×5,51×2509,4 – 18,84 + 1,004×160)ý = í39137,34 – [2,025 + 0,1386 + 0,054 + 0,017 + 0,009]×[125 + 140,8] – 160,6 + 11ý/í17,5×(13,827 – 18,84 + 160,6)ý = í39137,34 – [2,2436]×[265,8] – 160,6 + 11ý/í17,5×(155,6)ý =í39137,3 – [2,2436]×[265,8] – 160,6 + 11ý/í17,5×(155,6)ý = 38391,4/2723 = 14,1.

7. Рассчитаем влагосодержание d (г/кг) и энтальпию Н (кДж/кг) агента сушки.

d₁ = í1000[Sí0,09n×(C_mH_n)/(12m + n)ý + 0,01W^p] +a₁×L₀×d₀ý/ía₁×L₀ + 1 – Sí0,09n×(C_mH_n)/(12m + n)ý – 0,01W^pý = í1000[2,2436] +17,5×17,5×5,51ý/17,5×17,5 + 1 – 2,2436ý = í2243,6 +1687,4ý/í306,25 + 1 – 2,2436ý = 3931/305 = 12,9 г/кг;

d₂ = í1000[Sí0,09n×(C_mH_n)/(12m + n)ý + 0,01W^p] +a₂×L₀×d₀ý/ía₂×L₀ + 1 – Sí0,09n×(C_mH_n)/(12m + n)ý – 0,01W^pý = í1000[2,2436] +16,2×17,5×5,51ý/16,2×17,5 + 1 – 2,2436ý = í2243,6 +1562ý/í283,5 + 1 – 2,2436ý = 3805,6/282,26 = 13,48 г/кг;

d₃ = í1000[Sí0,09n×(C_mH_n)/(12m + n)ý + 0,01W^p] +a₃×L₀×d₀ý/ía₃×L₀ + 1 – Sí0,09n×(C_mH_n)/(12m + n)ý – 0,01W^pý = í1000[2,2436] +14,1×17,5×5,51ý/14,1×17,5 + 1 – 2,2436ý = í2243,6 +1360ý/í246,8 + 1 – 2,2436ý = 3603,6/245,6 = 14,67 г/кг;

Н₁ = с_а.с×t₁ + 0,001×d₁(2500 + 1,88×t₁) = 1,004×130 + 0,001×12,9×(2500 + 1,88×130) = 130,5 + 35,4 = 165,5 кДж/кг;

Н₂ = с_а.с×t₁ + 0,001×d₂(2500 + 1,88×t₁) = 1,004×140 + 0,001×13,48×(2500 + 1,88×140) = 140,6 + 37,2 = 177,8 кДж/кг;

Н₃ = с_а.с×t₁ + 0,001×d₃(2500 + 1,88×t₁) = 1,004×160 + 0,001×14,67×(2500 + 1,88×160) = 160,6 + 41,1 = 201,7 кДж/кг.

8. Рассчитаем количество влаги, подлежащей испарению в зерносушилке и ее отдельных узлах.

Для этого, вначале, по приложениям 6 и 7 определим значения коэффициентов К_в ( для перевода массы просушенного зерна в плановые единицы в зависимости от влажности зерна до и после сушки, т.е. по значениям w₀ и w₃) К_к(н) (для перевода просушенного зерна в плановые единицы в зависимости от рода зерновой культуры и назначения после сушки). Для наших условий К_в = 1 и К_к(н) = 1.

Затем определяем производительность зерносушилки (кг/с):

по сырому зерну G₀ = G^р/(3,6К_вК_к(н)), где G^р — производительность зерносушилки, произвольно принятая при формировании исходных данных, план.т/ч. С учетом того, что базовая зерносушилка ДСП-32 имеет производительность 32 план.т/ч, примем G^р = 36 план.т/ч. Итак, G₀ = 36/(3,6×1×1) = 10 кг/с.

по просушенному зерну G₃ = G₀×(100 – w₀)/(100 – w₃) = 10×(100 – 20)/(100 – 14) = 800/86 = 9,3 кг/с.

Количество испаряемой из зерна влаги W^р (кг/с): W^р = G₀ – G₃ = 10,0 – 9,3 = 0,7 кг/с.

Зададимся количествами влаги DW, испаряемыми из зерна в различных хонах сушки. Для этого, согласно рекомендациям, примем:

в устройстве для предварительного нагрева сырого зерна в кипящем слое DW_п.н = 0,3×W = 0,3×0,7 = 0,21 кг/с;

в зоне окончательного охлаждения DW_охл = 0,1×W = 0,1×0,7 = 0,07 кг/с;

в 1-й и 3-й зонах сушки DW_1с = DW_3с = 0,2×W = 0,2×0,7 = 0,14 кг/с;

во 2-й зоне сушки DW_2с = [W – (DW_п.н + DW_1с + DW_3с + DW_охл)]= [0,7 – (0,21 + 0,14 + 0,14 + 0,07)] = 0,14 кг/с.

9. Определим позонные (по зонам нагрева, сушки и охлаждения) значения влажности зерна и производительности зерносушилки (в соответствии с принятыми условными обозначениями на функционально-параметрической схеме и позонным количеством испаряемой влаги).

Производительность зерносушилки на входе в зону окончательного охлаждения G₂ = G₃ + DW_охл = 9,3 + 0,07 = 9,37 кг/с.

Производительность зерносушилки на входе во 2-ю зону сушки

G_рец2 = G₂ + DW_3с = 9,37 + 0,14 = 9,51 кг/с.

Соответственно влажность зерна (%) на входе в эти зоны будет:

w₂ = 100 – (G₃/G₂)×(100 – w₃) = 100 – (9,3/9,37)×(100 – 14) = 14,642 %.

w_рец = 100 – (G₂/G_рец2)×(100 – w₂) = 100 – (9,37/9,51)×(100 – 14,642) = 15,9 %.

Производительность после предварительного нагрева зерна в кипящем слое G₁ = G₀ – DW_п.н = 10,0 – 0,21 = 9,79 кг/с.

Соответственно влажность зерна

w₁ = 100 – (G₀/G₁)×(100 – w₀) = 100 – (10,0/9,79)×(100 – 20) = 18,28 %.

Определим необходимое значение коэффициента циркуляции по формуле

N = A×K_к(н)×(w₀^c – w₃^c)/[w₀^c – 0,011×(w₀^c)² – 9,4],

где А коэффициент, учитывающий особенности конструкции зерносушилки: для рассчитываемой зерносушилки А = 2; w₀^c = 20/(100 – 20) = 25 %; w₃^c = 14/(100 – 14) = 16,28 %.

N = 2×1×(25 – 16,28)/[25 – 0,011×(25)² – 9,4] = 17,44/8,725 = 2,0.

Производительность по смеси сырого и рециркулируемого зерна

G_см = G₁×N = 9,79×2,0 = 19,58 кг/с.

Соответственно влажность смеси зерна

w_см = [w₁ + (N – 1)×w_рец)]/N = [18,28 + 1×15,9]/2 = 17,09 %.

Производительность по рециркулируемому зерну G_рец1 = G_см – G₁ = 19,58 – 9,79 = 9,79 кг/с.

Производительность по зерну после 1-й зоны сушки

G_см1 = G_см – DW_1с = 19,58 – 0,14 = 19,44 кг/с.

Влажность зерна после 1-й зоны сушки

w_см1 = 100 – (G_см/G_см1)×(100 – w_см) = 100 – (19,58/19,44)×(100 – 17,09) = 16,49 %.

Производительность после 2-й зоны сушки

G_рец = G_см1 – DW_2с = 19,44 – 0,14 = 19,3 кг/с.

С другой стороны,

G_рец = G_рец1 + G_рец2 = 9,79 + 9,51 = 19,3 кг/с (сошлось).

10. Установим позонные значения температуры зерна.

Примем q₀ = t₀ = 5 °С.

Согласно приложению 4 предельная температура нагрева зерна q_пред = 60 °С.

Примем температуру рециркулируемого зерна q_рец = q_пред – 2 = 58 °С.

Температура зерна на выходе из устройства для предварительного подогрева в кипящем слое q₁ = q_пред = 60 °С.

Температура смеси q_см = [q₁ + (N – 1)×q_рец]/N = [60 + 1×58]/2 = 59 °C.

q_см1 = q_см – 5 = 59 – 5 = 54 °С.

q₂ = q_рец – 7 = 58 – 7 = 51 °.

q₃ = q₂ – (1 – 0,003×q₂)×(q₂ – t₀) = 51 – (1 – 0,003×51)×(51 – 5) = 12,0 °С.

11. Устанавливаются позонные значения температуры отработанного агента сушки и воздуха.

t¢₁ = 0,125×(q₀ + q₁ + 2t₁) + 5 = 0,125×(5 + 60 + 2×130) + 5 = 45,6 °С;

t¢₂ = 0,125×(q_рец + q₂ + 2t₂) + 5 = 0,125×(58 + 51 + 2×140) + 5 = 53,6 °С;

t²₂ = 0,125×(q_см + q_см1 + 2t₂) + 5 = 0,125×(59 + 54 + 2×140) +5 = 54,1 °С;

t¢₃ = 0,125×(q_см1 + q_рец + 2t₃) + 5 = 0,125×(54 + 58 + 2×160) + 5 = 59,0 °С;

t¢₀ = 0,5×(q₂ + q₃) – 5 = 0,5×(51 + 12) – 5 = 26,5 °С.

12. Производим аналитический расчет затрат и потерь теплоты.

Вначале определяем затраты теплоты на испарение влаги при предварительном нагреве зерна в кипящем слое

q_и.п.н = (2500 + 1,88×t¢₁) – 4,19×q₀ = 2500 + 1,88×45,6 – 4,19×5 = 2500 + 85,7 – 21 = 1564,7 кДж/кг.

Аналогично,

q_и.1с = (2500 + 1,88×t²₂) – 4,19×q_см = 2500 + 1,88×54,1 – 4,19×59 = 2500 + 101,7 – 247,2 = 2354,5 кДж/кг;

q_и.3с = (2500 + 1,88×t¢₂) – 4,19×q_рец = 2500 + 1,88×53,6 – 4,19×58 = 2500 + 100,8 – 243 = 2357,8 кДж/кг;

q_и.2с = (2500 + 1,88×t¢₃) – 4,19×q_см1 = 2500 + 1,88×59 – 4,19×54 = 2500 + 110,9 – 226,3 = 2384,6 кДж/кг;

q_и.охл = (2500 + 1,88×t¢₀) – 4,19×q₂ = 2500 + 1,88×26,5 – 4,19×51 = 2500 + 49,8 – 213,7 = 2336,1 кДж/кг.

Затем рассчитываем значения удельной теплоемкости зерна на выходе из устройства для предварительного нагрева зерна в кипящем слое, зон сушки и охлаждения.

с₁ = [с_в×w₁ + с_с.в×(100 – w₁)]/100 = [4,19×18,28 + 1,55×(100 – 18,28]/100 = [76,59 + 126,67]/100 = 2,03 кДж/(кг×К);

с_см = [с_в×w_см + с_с.в×(100 – w_см)]/100 = [4,19×17,09 + 1,55×(100 – 17,09]/100 = [71,61 + 128,51]/100 = 2,0 кДж/(кг×К);

с_см1 = [с_в×w_см1 + с_с.в×(100 – w_см1)]/100 = [4,19×16,49 + 1,55×(100 – 16,49]/100 = [69,1 + 129,44]/100 = 1,98 кДж/(кг×К);

с_рец = [с_в×w_рец + с_с.в×(100 – w_рец)]/100 = [4,19×15,9 + 1,55×(100 – 15,9]/100 = [66,62 + 130,36]/100 = 1,97 кДж/(кг×К);

с₂ = [с_в×w₂ + с_с.в×(100 – w₂)]/100 = [4,19×14,64 + 1,55×(100 – 14,64]/100 = [61,34 + 132,31]/100 = 1,94 кДж/(кг×К);

с₃ = [с_в×w₃ + с_с.в×(100 – w₃)]/100 = [4,19×14 + 1,55×(100 – 14]/100 = [58,66 + 133,3]/100 = 1,92 кДж/(кг×К);

Далее рассчитываем значения удельных расходов теплоты на нагрев зерна в зоне нагрева (в кипящем слое) и зонах сушки.

q_м.пн = [G₁×с₁×(q₁ – q₀)]/DW_пн = [9,79×2,03×(60 – 5)]/0,21 = 5205 кДж/кг;

q_м.1с = [G_см1×с_см1×(q_см1 – q_см)]/DW_1с = [19,58×1,98×(54 – 59)]/0,14 = – 1384,6 кДж/кг;

q_м.2с = [G_рец×с_рец×(q_рец – q_см1)]/DW_2с = [19,3×1,97×(58 – 54)]/0,14 = 1086,3 кДж/кг;

q_м.3с = [G₂×с₂×(q₂ – q_рец)]/DW_3с = [9,37×1,94×(51 – 58)]/0,14 = – 908,9 кДж/кг.

Рассчитываем средние значения температуры агента сушки (в зоне нагрева и 1-й — 3-й зонах сушки) и воздуха (в зоне охлаждения).

t_ср.пн = 0,5×(t₁ + t^¢₁) = 0,5×(130 + 45,6) = 87,8 °С;

t_ср.1с = 0,5×(t₂ + t²₂) = 0,5×(140 + 54,1) = 97,0 °С;

t_ср.2с = 0,5×(t₂ + t¢₂) = 0,5×(160 + 53,6) = 106,8 °С;

t_ср.3с = 0,5×(t₃ + t¢₃) = 0,5×(140 + 59) = 99,5 °С;

t_ср.охл = 0,5×(t₀ + t¢₀) = 0,5×(5 + 26,5) = 15,8 °C.

Затем рассчитываем коэффициенты теплопередачи для зоны нагрева, зон сушки и охлаждения. Для этого вначале определим значения коэффициентов тепловосприятия (теплоотдачи).

Для зоны предварительного нагрева:

a_1(п.н) = С + D×v = 5,58 + 3,95×(0,15×10) = 11,5 Вт/(м²×К);

a_2(п.н) = С + D×v = 5,81 + 3,95×5 = 25,56 Вт/(м²×К).

Для зон сушки и охлаждения:

a_{1(1с+2с+ 3c + охл)} = С + D×v = 6,16 + 4,19×0,3 = 7,4 Вт/(м²×К);

a_{2(1с+2с+3с+охл)} = С + D×v = 6,16 + 4,19×5 = 27,1 Вт/(м²×К).

Для стальной стенки коэффициент теплопроводности l_{1, 3} = 46 Вт/(м×К), для теплоизоляции (минеральная вата) l₂ = 0,056 Вт/(м×К); для железобетонной стенки l = 1,54 Вт/(м×К).

Для камеры нагрева примем: толщину конструктивной стальной стенки d₁ = 0,002 м, для минеральной ваты d₂ = 0,05 м, для наружного защитного слоя d₃ = 0,001 м; для железобетонной стенки d = 0,1 м.

Коэффициенты теплопередачи будут иметь следующие значения:

К_пн = 1/[1/a_1(кн) + d₁/l₁ + d₁/l₁ + d₁/l₁ + 1/a₂] = 1/[1/11,5 + 0,002/46 + 0,05/0,056 + 0,001/46 + 1/25,56] = 1/[0,087 + 0,000043 + 0,893 + 0,000022 + 0,0391] = 1/1,02 = 0,98 Вт/(м²×К);

к_1с = к_2с = к_3с = к_охл = 1/[1/a_{1(1с+2с+охл)} + d/l + 1/a₂] = 1/[1/7,42 + 0,1/1,54 + 1/27,11] = 1/[0,1348 + 0,0649 + 0,0369] = 1/0,2366 = 4,23 Вт/(м²×К).

Площадь поверхности теплоотдачи составляет:

F_пн = [примем произвольно] = 5 м²;

F_1с = 2×1,5×23×0,2 = 13,8 м²;

F_3с = F_1с = 13,8 м²;

F_2с = 2×1,5×32×0,2 = 19,2 м²;

F_охл = 2×1,5×32×0,2 = 19,2 м².

Удельные потери теплоты в окружающую среду:

q_о.с.пн = 0,001×F_п.н×к_п.н×(t_ср.пн – t₀)/DW_пн = 0,001×5×0,98×(87,8 – 5)/0,21 = 1,93 кДж/кг;

q_о.с.1с = = 0,001×F_1с×к_1с×(t_ср.1с – t₀)/DW_1с = 0,001×13,8×4,23×(97 – 5)/0,14 = 38,36 кДж/кг;

q_о.с.2с = = 0,001×F_2с×к_2с×(t_ср.2с – t₀)/DW_2с = 0,001×19,2×4,23×(106,8 – 5)/0,14 = 59 кДж/кг;

q_о.с.3с = = 0,001×F_3с×к_3с×(t_ср.3с – t₀)/DW_3с = 0,001×13,8×4,23×(99,5 – 5)/0,14 = 39,4 кДж/кг;

q_о.с.охл = = 0,001×F_охл×к_охл×(t_ср.охл – t₀)/DW_охл = 0,001×19,2×4,23×(15,8 – 5)/0,07 = 12,53 кДж/кг.

Далее рассчитываем разность сообщений и потерь теплоты (угловой коэффициент сушки) для зон предварительного нагрева, сушки и охлаждения.

D_пн = с_в×q₀ – q_м.пн – q_о.с.пн = 4,19×5 – 5205 – 1,93 = – 5186 кДж/кг;

D_1с = с_в×q_см – q_м.1с – q_о.с.1с = 4,19×59 – (– 1384,6) – 38,36 = 1593,4 кДж/кг;

D_2с = с_в×q_см1 – q_м.2с – q_о.с.2с = 4,19×54 – 1086,3 – 59 = – 919 кДж/кг;

D_3с = с_в×q_рец – q_м.3с – q_о.с.3с = 4,19×58 – (– 908,9) – 39,4 = 1112,5 кДж/кг;

D_охл = с_в×q₂ – q_м.охл – q_о.с.охл = 4,19×51 + [(G₃×c₃)/DW_охл]×(q₂ – q₃) – 12,53 = 213,7 + [(9,3×1,92)/0,07]×(51 – 12) – 12,53 = 213,7 + 9948,3 – 12,53 = 10149,5 кДж/кг.

Затем рассчитываем значения влагосодержания отработанного агента сушки и воздуха:

d¢₁ = [1000×(1,004×t¢₁ – H₁) + D_п.н×d₁]/[D_п.н – (2500 + 1,88×t¢₁)] = [1000×(1,004×45,6 – 165,5) + (– 5186)×12,9]/[– 5186 – (2500 + 1,88×45,6)] = [– 119717,6 – 66899,4]/[– 7771,7] = 24,01 г/кг;

d²₂ = [1000×(1,004×t²₂ – H₂) + D_1с×d₂]/[D_1с – (2500 + 1,88×t²₂)] = [1000×(1,004×54,1 – 177,8) + 1593,4×13,48]/[1593,4 – (2500 + 1,88×54,1)] = [– 123483,6+ 21479]/[– 1008,3] = 101,16 г/кг;

d¢₃ = [1000×(1,004×t^¢₃ – H₃) + D_2с×d₃]/[D_2с – (2500 + 1,88×t^¢₃)] = [1000×(1,004×59 – 201,7) + (– 919)×14,67]/[– 919 – (2500 + 1,88×59)] = [– 142464 – 13481,7]/[– 3529,9] = 44,18 г/кг;

d¢₂ = [1000×(1,004×t^¢₂ – H₂) + D_3с×d₂]/[D_3с – (2500 + 1,88×t¢₂)] = [1000×(1,004×53,6 – 177,8) + 1112,5×13,48]/[1112,5 – (2500 + 1,88×53,6)] = [– 123985,6 + 14996,5]/[– 1488,3] = 73,23 г/кг;

d¢₀ = [1000×(1,004×t¢₀ – H₀) + D_охл×d₀]/[D_охл – (2500 + 1,88×t¢₀)] = [1000×(1,004×26,5 – 18,84) + 10149,5×5,51]/[10149,5 – (2500 + 1,88×26,5)] = [7766 + 55923,7]/7599,7= 8,38 г/кг.

Затем рассчитываем величины удельных расходов l (кг/кг) сухого агента сушки (для каскадного подогревателя) и воздуха (для зоны окончательного охлаждения).

l_п.н = 1000/(d¢₁ – d₁) = 1000/(24,01 – 12,9) = 90 кг/кг;

l_1c = 1000/(d²₂ – d₂) = 1000/(101,16 – 13,48) = 11,4 кг/кг;

l_2c = 1000/(d¢₃ – d₃) = 1000/(44,18 – 14,67) = 33,9 кг/кг;

l_3c = 1000/(d¢₂ – d₂) = 1000/(73,23 – 13,48) = 16,7 кг/кг;

l_охл = 1000/(d¢₀ – d₀) = 1000/(8,38 – 5,51) = 348,4 кг/кг.

Далее рассчитаем суммарный (с учетом затрат и потерь) удельный расход теплоты на испарение 1 кг влаги.

q_п.н = l_п.н×(H₁ – H₀) = 90×(165,5 – 18,84) = 13199,4 кДж/кг;

q_1c = l_1c×(H₂ – H₀) = 11,4×(177,8 – 18,84) = 1812,1 кДж/кг;

q_2c = l_2c×(H₃ – H₀) = 33,9×(201,7 – 18,84) = 6198,9 кДж/кг;

q_3c = l_3c×(H₂ – H₀) = 16,7×(177,8 – 18,84) = 2654,6 кДж/кг;

Суммарный (с учетом затрат и потерь) расход теплоты составляет:

Q^р_п.н = q_п.н×DW^р_п.н = 13199,4×0,21 = 2771,9 кВт;

Q^р_1с = q_1с×DW^р_1с = 1812,1×0,14 = 253,7 кВт;

Q^р_2с = q_2с×DW^р_2с = 6198,9×0,14 = 867,8 кВт;

Q^р_3с = q_3с×DW^р_3с = 2654,6×0,14 = 371,6 кВт.

Далее рассчитаем значения массовых расходов агента сушки (в подогревателе и зонах сушки) и воздуха (в зоне охлаждения).

L^p_п.н = l_п.н×DW^р_п.н = 90×0,21 = 18,9 кг/с;

L^p_1с = l_1с×DW^р_1с = 11,4×0,14 = 1,6 кг/с;

L^p_2с = l_2с×DW^р_2с = 33,9×0,14 = 4,75 кг/с;

L^p_3с = l_3с×DW^р_3с = 16,7×0,14 = 2,34 кг/с;

L^p_охл = l_охл×DW^р_охл = 348,4×0,07 = 24,39 кг/с;

Объемные расходы агента сушки и воздуха составят:

V^p_п.н = L^p_п.н×u_о.п.н×[293/(273 + t₁)] = 18,9×1,165×[293/(273 + 130)] = 16 м³/с;

V^p_1c= L^p_1c×u_о.1c×[293/(273 + t₂)] = 1,6×1,194×[293/(273 + 140)] = 1,36 м³/с;

V^p_2c= L^p_2c×u_о.2c×[293/(273 + t₃)] = 4,75×1,2517×[293/(273 + 160)] = 4 м³/с;

V^p_3c = L^p_3c×u_о.3c×[293/(273 + t₂)] = 2,34×1,194×[293/(273 + 140)] = 2,6 м³/с;

V^р_охл = L^p_охл×u_о.охл×[293/(273 + t₀)] = 24,39×0,81×[293/(273 + 5)] = 20,8 м³/с;

13. Произведем расчет основных конструктивных размеров устройства для предварительного нагрева зерна в кипящем слое.

Зерновая вместимость камеры нагрева при продолжительности t = 120 c:

Е_к.н = 0,5×(G₀ + G₁)×t = 0,5×(10 + 9,79)×120 = 1187,4 кг.

Площадь поперечного (живого) сечения рабочей зоны камеры нагрева f_р (м²) при известном расчетном значении объемного расхода агента сушки V^р_к.н (м³/с) и скорости агента сушки v_а.с (м/с), принимаемой в соответствии с п.п. 2.12:

f_р = V^р_п.н/v_а.с = 16/(0,15×10) = 10,67 м².

Начальная высота неразрыхленного зернового слоя в камере нагрева h₀ (м) при насыпной плотности зерна r (кг/м³) (согласно приложению 5) составляет:

h₀ = (Е_к.н/r)/f_р = (1187,4/850)/10,67 = 0,13 м.

Высота рабочей зоны камеры нагрева с учетом надзернового пространства и разрыхления слоя

h_к.н = (2,5…3,0)×h₀ = 0,325…0,39 = 0,38 м.

Общая площадь поперечного сечения камеры нагрева с учетом участков загрузки сырого зерна и выгрузки нагретого зерна

f_к.н = f_р×(12/10) = 1,2×f_р = 1,2×10,67= 12,8 м².

Внутренний диаметр (м) камеры нагрева зерна в кипящем слое

d_к.н = 2×(f_к.н/p)^0,5 = 2×(12,8/3,14)^0,5 = 4,038 м.

Размер поверхности нагрева в кипящем слое (м²), через которую происходят потери теплоты в окружающую среду

F_к.н = p×(d_к.н + d₁ +d₂ +d₃)×h_к.н = 3,14×(4,038 + 0,002 + 0,05 + 0,001)×0,38 = 4,88 м².

14. Производим сравнение ориентировочно принятого в п.п. 12 расчета и фактического размера поверхности камеры нагрева, через которую происходят потери теплоты в окружающую среду. (F_к.н = 4,88) < (F_п.н = 5,0); D = – 2,14 %.

Поскольку D < 5%, перерасчета потерь теплоты в окружающую среду и уточнения суммарной величины удельного расхода теплоты на испарение 1 кг влаги, а также массового расхода агента сушки, объемного расхода влажного агента сушки и суммарного расхода теплоты не требуется.

15. Определим расчетное число подводящих и отводящих коробов, а также расчетное число рядов подводящих и отводящих коробов в каждой зоне сушки и охлаждения.

Для этого в качестве исходных данных используем следующие характеристики зерносушилок:

типовой шахтной прямоточной ДСП-32, на базе которой производится реконструкция (приложение 8): фактическое число рядов коробов в зонах сушки (n^ф_1с = 23, n^ф_2с = 14) и охлаждения (n^ф = 18); число коробов в одном ряду (а = 16 шт.); площадь поперечного сечения короба (f_к = 0,00925 м²); допустимая скорость агента сушки или воздуха на выходе из короба (v_к = 0,5×v_вит = 0,5×10 = 5 м/с);

реконструированной — число параллельно расположенных шахт соответствующей зоны сушки или охлаждения (к = 1 шт.).

Расчетное число подводящих и отводящих коробов n^p_k (шт.), которые следует установить в зоне сушки или охлаждения для того, чтобы обеспечить возможность подвода к зерну расчетного объема V^p (м³/с) агента сушки или воздуха (а для зон сушки, вместе с агентом сушки, необходимого количества теплоты Q^р, кВт), составляет:

для 1-й зоны сушки

n^p_к.1с = 2×V^p_1с/(f_к×v_к) = 2×1,36/(0,00925×5) = 58,8;

для 2-й зоны сушки

n^p_к.2с = 2×V^p_2c/(f_к×v_к) = 2×4/(0,00925×5) = 173;

для 3-й зоны сушки (зона досушки)

n^p_к.3с = 2×V^p_3с/(f_к×v_к) = 2×2,6/(0,00925×5) = 112,4;

для зоны охлаждения

n^p_к.охл = 2×V^p_охл/(f_к×v_к) = 2×20,8/(0,00925×5) = 899,4.

Расчетное число рядов подводящих и отводящих коробов в соответствующих зонах сушки и охлаждения n^р (шт.) составляет:

для 1-й зоны сушки n^p_1c = n^p_к.1с/(a×к) = 58,8/(16×1) = 3,68;

для 2-й зоны сушки n^p_2c = n^p_к.2с/(a×к) = 173/(16×1) = 10,81;

для 3-й зоны сушки (зона досушки) n^p_3c = 112,4/(16×1) = 7,02;

для зоны охлаждения n^p_охл = n^p_охл/(a×к) = 899,4/(16×1) = 56,21.

16. Сопоставим расчетное число рядов коробов с фактическим, уточним величины массовых и объемных расходов агента сушки (по зонам сушки) и объемного расхода воздуха (по зоне охлаждения), а с учетом возможных изменений расходов — уточним величины влагосъема по зонам сушки и охлаждения, расхода теплоты по зонам сушки.

Фактический объемный расход агента сушки (по зонам сушки) и воздуха (по зоне охлаждения) составляет:

V^ф_1с = V^р_1с×(n^ф_1с/n^р_1с) = 1,36×(23/3,68) = 8,5 м³/с;

V^ф_2с = V^р_2с×(n^ф_2с/n^р_2с) = 4×(32/10,81) = 11,84 м³/с;

V^ф_3с = V^р_3с×(n^ф_3с/n^р_3с) = 2,6×(23/7,02) = 8,5 м³/с;

V^ф_охл = V^р_охл×(n^ф_охл/n^р_охл) = 20,8×(32/56,21) = 11,84 м³/с.

Итак, все сошлось, как и должно было быть.

Фактический массовый расход агента сушки

L^ф_1с = L^р_1с×(n^ф_1с/n^р_1с) = 1,6×(23/3,68) = 10 кг/с;

L^ф_2с = L^р_2с×(n^ф_1с/n^р_1с) = 4,75×(32/10,81) = 14,06 кг/с;

L^ф_3с = L^р_3с×(n^ф_3с/n^р_3с) = 2,34×(23/7,02) = 7,67 кг/с;

L^ф_охл = L^р_охл×(n^ф_охл/n^р_охл) = 24,39×(32/52,61) = 14,84 кг/с.

Фактическая величина влагосъема по зонам сушки и охлаждения

DW^ф_1с = DW^р_1с×(n^ф_1с/n^р_1с) = 0,14×(23/3,68) = 0,875 кг/с;

DW^ф_2с = DW^р_2с×(n^ф_2с/n^р_2с) = 0,14×(32/10,81) = 0,414 кг/с;

DW^ф_3с = DW^р_3с×(n^ф_3с/n^р_3с) = 0,14×(23/7,02) = 0,459 кг/с;

DW^ф_охл = DW ^р_охл×(n^ф_охл/n^р_охл) = 0,07×(32/52,61) = 0,042 кг/с;

Фактический расход теплоты на сушку

Q^ф_1c = Q^р_1c×(n^ф_1c/n^р_1c) = 253,7×(23/3,68) = 1585,6 кВт.

Q^ф_2c = Q^р_2c×(n^ф_2c/n^р_2c) = 867,8×(32/10,81) = 2568,9 кВт.

Q^ф_3c = Q^р_3c×(n^ф_3c/n^р_3c) = 371,6×(23/7,02) = 1217,5 кВт.

17. Уточним расчетные параметры работы устройства для предварительного нагрева зерна.

Фактическая величина влагосъема DW^ф_п.н (кг/с) в зоне предварительного подогрева реконструированной зерносушилки с учетом суммарной уточненной величины влагосъема SW^ф_с.о (кг/с) в остальных зонах сушки и охлаждения

DW^ф_п.н = (0,3/0,7)×SW^ф_с.о = 0,43×(DW^ф_1с + DW^ф_2с + DW^ф_3с + DW^ф_охл) = 0,43×(0,875 + 0,414 + 0,459 + 0,042) = 0,43×1,79 = 0,77 кг/с.

Фактический массовый расход агента сушки

L^ф_п.н = L^р_п.н×(DW^ф_п.н/DW^р_п.н) = 18,9×(0,77/0,21) = 69,3 кг/с.

Фактический объемный расход агента сушки

V^ф_п.н = V^р_п.н×(DW^ф_п.н/DW^р_п.н) = 16×(0,77/0,21) = 58,7 м³/с.

Фактический расход теплоты

Q^ф_п.н = Q^р_п.н×(DW^ф_п.н/DW^р_п.н) = 2771,9×(0,77/0,21) = 10164 кВт.

18. Уточняем производительность зерносушилки

Для этого вначале определим, с учетом расчетов по п. 16 фактическую величину влагосъема в реконструированной зерносушилке.

W^ф = DW^ф_п.н + DW^ф_1с + DW^ф_2с + DW^ф_3с + DW^ф_охл = 0,77 + 0,875 + 0,414 + 0,459 + 0,042 = 2,56 кг/с.

Фактическая производительность зерносушилки по сырому зерну

G^ф₀ = G₃ + W^ф = 9,3 + 2,56 = 11,86 кг/с.

Фактическая влажность сырого зерна

w^ф₀ = 100 – (G₃/G₀)×(100 – w₃) = 100 – (9,3/11,86)×(100 – 14) = 32,56%.

(w^ф₀)^c = 100×w^ф₀/(100 – w^ф₀) = 100×32,56/(100 – 32,56) = 48,28%.

Коэффициент перевода массы просушенного зерна в плановые единицы в зависимости от влажности до и после сушки

К_в = (w^c₀ – w^c₃)/[w^c₀ – 0,011×(w^c₀)² – 9,4] = (48,28 – 16,28)/[48,28 – 0,011×(48,28)² – 9,4] = 32/13,24 = 2,417.

Фактическая производительность зерносушилки

G^ф = 3,6×G^ф₀×К_в×К_к(н) = 3,6×11,86×2,417×1 = 103,2 план.т/ч.

19. Определим расход топлива на сушку и термический КПД зерносушилки.

Для этого вначале сделаем поправку на нормативную температуру атмосферного воздуха и зерна t^н₀ = q^н₀ = 5 °С:

дополнительный расход (+) или снижение расхода (–) теплоты DQ_в (кВт) на нагрев или охлаждение наружного воздуха, идущего на процесс горения и смещения с топочными газами (для получения агента сушки необходимой температуры), с учетом суммарного массового расхода агента сушки SL^ф_а.с (кг/с) в зонах предварительного подогрева и сушки зерна и удельной теплоемкости агента сушки с_а.с = 1,004 кДж/(кг×К),

DQ_в = SL^ф_а.с×с_а.с×(5 – t₀) = (L^ф_п.н + L^ф_1с + L^ф_2с + L^ф_3с)×с_а.с×(5 – t₀) = (69,3 + 10 + 14,06 + 7,67)×1,004×(5 – 5) = 0;

дополнительный расход (+) или снижение расхода (–) теплоты DQ_з (кВт) на нагрев или охлаждение зерна (без испарения влаги при нагреве) при производительности зерносушилки по сырому зерну G₀ (кг/с), удельной теплоемкости сырого зерна с₀ = 4,19×(w₀/100) + 1,55×([100 – w₀]/100) = 2,08 кДж/(кг×К),

DQ_з = G^ф₀×с₀×(5 – q₀) = 11,86×2,08×(5 – 5) = 0.

Затем рассчитаем дополнительные затраты теплоты DQ_тр (кВт) на нагрев транспортных средств за счет теплоты перемещаемой смеси сырого и рециркулируемого зерна: при условии, что перемещаемое зерно с температурой q_см (°С), при производительности G^ф_см (кг/с) и удельной теплоемкости с_см = 2,0 кДж/(кг×К) не меняет свою влажность,

DQ_тр = G^ф_см×с_см×0,035×(q_см – t₀) = (G^ф₀×N)×с_см×0,035×(q_см – t₀) = (11,86×2)×0,035×(59 – 5) = 22,4 кВт.

Фактический расход теплоты в реконструированной зерносушилке при нормативных значениях температуры атмосферного воздуха и зерна

Q^ф =DQ_в + DQ_з + DQ_тр + Q^ф_п.н + SQ^ф_с = 0 + 0 + 22,4 + 10164 + (1585,6 + 2568,9 + 1217,5) = 15558,4 кВт.

Расход натурального топлива на сушку при известных значениях низшей теплоты сгорания фактического топлива и КПД топки h_т = 0,95 составляет:

В = Q^ф/(Q^р_н×h_т) = 15558,4/(37204,4×0,95) = 0,44 м³/с;

В = 0,44×r_см = 0,44×0,729 = 0,32 кг/с.

Расход условного топлива на сушку с учетом низшей теплоты сгорания условного топлива (Q^р_н = 29330 кДж/кг)

В_у = Q^ф/(29330×h_т) = 15558,4/(29330×0,95) = 0,558 кг/с.

Удельный расход условного топлива на сушку

b_у = 3600×B_у/G^ф = 3600×0,558/103,2 = 19,46 кг/план.т.

Термический КПД зерносушилки

h_с = S(DW^ф_i×q_иi)/(B×Q^p_н) = (DW^ф_п.н×q_и.п.н + DW^ф_1с×q_и.1с + DW^ф_2с×q_и.2с + DW^ф_3с×q_и.3с + DW^ф_охл×q_и.охл)/(B×Q^p_н) = (0,77×1564,7 + 0,875×2354,5+ 0,414×2384,6+ 0,459×2357,8+ 0,042×2336,1)/(0,44×37204,4) = (1204,8 + 2060,2 + 987,2 + 1082,2 + 98,1)/16369,9 = 0,33.

20. Сравнение удельных затрат условного топлива на сушку и термического КПД реконструированной и базовой зерносушилок.

(b^ф_у = 19,46 кг/план.т) > (b^н_у = 12,2 кг/план.т), следовательно, реконструкция нецелесообразна.

21. Размер годового перерасхода условного топлива

DВ_у = G_год×Db_у = (Т_год×G^ф)×Db_у = 615×103,2×(19,46 – 12,2) = 460778 кг.

Технологическая схема рециркуляционной зерносушилки

с квазизотермическим режимом:

1-нория свежего зерна; 2, 4, 23, 24-конвейеры; 3-бункер сырого зерна; 5-бункер отходов; 6-циклоны; 7-вентилятор аппарата предварительного нагрева свежего зерна; 8-спаренная нория; 9-бункер свежего зерна; 10-аппарат предварительного нагрева свежего зерна; 11-выпуск нагретого зерна; 12-оперативный бункер; 13-вентилятор первой зоны сушки; 14-вентилятор второй зоны сушки; 15-топка; 16,18-тепловлагообменники; 17-нория просушенного зерна; 19-сушильная шахта; 20-сушильно-охладительная шахта; 21-диагональная перегородка; 22-вентилятор зоны охлаждения