Реконструкция установки для сушки древесины
2.2 Тепловой расчёт
Выбор расчетного пиломатериала.
За расчётный материал в практике проектирования лесосушильных камер выбирается наиболее быстросохнущий пиломатериал. Тепловое оборудование, рассчитанное по быстросохнущему пиломатериалу, надёжно обеспечит сушку пиломатериалов всех пород и сечений.
Выбираем из нашей спецификации пиломатериалов, подлежащих сушке, хвойные доски (сосна), сечением 25х150 и длиной 6500 мм.
2.2.1 Определение массы испаряемой влаги
Масса влаги, испаряемой из 1 м3 пиломатериалов, m1м3, кг/м3
, (2.9)
где - базисная плотность расчетного пиломатериала, кг/м3, определяется из таблицы 1 [5];
Wн, Wк - начальная и конечная влажность древесины, %.
Масса влаги, испаряемой за время одного оборота сушильной камеры, mоб.кам., кг/об.
mоб.кам. = m1м3Е=2528,3=2091,6 кг/об. (2.10)
Е= Гвф=6,51,820,356=8,3 м3, (2.11)
где Е - емкость камеры, м3;
Г - габаритный объем всех штабелей, загружаемых в камеру, м3;
вф - коэффициент объемного заполнения штабеля расчетным пиломатериалом.
Масса влаги, испаряемой из камеры в секунду, кг/с,
, (2.12)
где суш.ф. - общая продолжительность сушки, ч.
с.ф = с - (п + кон.ВТО) = 121,5 - (3,75 + 2) = 115,75ч, (2.13)
где с - продолжительность сушки расчетного материала, ч;
п - продолжительность начального прогрева материала, ч, (по 1,5 часа на каждый сантиметр толщины, т.е. 3,75 ч.);
кон.ВТО - продолжительность конечной влаготеплообработки (ВТО), ч, (2часа).
Расчетная масса испаряемой влаги, кг/с
Мр=Мс ч, (2.14)
где ч - коэффициент неравномерной скорости сушки.
Коэффициент неравномерной скорости сушки рекомендуется прини- мать для камер периодического действия при сушке воздухом при Wк=<12%.
Мр=0,0051,3=0,0065 кг/с.
2.2.2 Выбор режима сушки
Режимы сушки выбираются в зависимости от породы, толщины и назначения расчетного пиломатериала, требований, предъявленных к качеству сухой древесины.
Выбираем II категорию качества - для пиломатериалов и заготовок в столярно-мебельном производстве.
Выбираем низкотемпературный режим 2 - М (по ГОСТ 19773-84).
Таблица 2.4 - Параметры сушильного агента
Влажность древесины, % |
t,0C |
t,0C |
||
>35 |
57 |
5 |
0,77 |
|
35-25 |
61 |
9 |
0,62 |
|
<20 |
77 |
25 |
0,29 |
2.2.3 Определение параметров агента сушки на входе в штабель
При сушке влажным воздухом расчетную температуру t1 и степень насыщения ц1 агента сушки, входящего в штабель, назначают по средней ступени режимов, где t1= tс (tс - температура «сухого» термометра второй ступени режима) и ц1= ц..
Влагосодержание d1, теплосодержание I1, плотность с1 и приведенный удельный объем Vпр1 определяют по Id-диаграмме.
t1=61 0С; 1=0,62;
d1=99 г/кг;
Vпр1=1,12 м3/кг;
I1=320 кДж/кг;
1=0,985 кг/м3 .
2.2.4 Определение объема и массы циркулирующего агента сушки
Определение объема циркулирующего агента сушки за одну секунду, м3/с:
Vc=VштFж.сеч.шт=2,05,85=11,7 м3/с, (2.15)
где Vшт - расчетная скорость циркуляции по штабелю, м/с;
Fж.сеч.шт - живое сечение штабеля, м2.
Fж.сеч.шт= n1lштhшт (1-вв)=16,51,8(1-0,5)=5,85 м2, (2.16)
где n1- количество штабелей в плоскости, перпендикулярной потоку агента сушки, идущему в одном направлении;
lшт - длина штабеля, м;
hшт - высота штабеля, м;
вв - коэффициент заполнения штабеля по высоте, определяют из соотношения:
вв= (2.17)
где S- толщина расчетного пиломатериала, мм.
Масса циркулирующего агента сушки mц на 1 кг. испаряемой влаги.
При сушке влажным воздухом, кг/кг исп. влаги:
(2.18)
где V1 - приведенный удельный объем влажного воздуха, определяемый по Id- диаграмме, м3/кг.
2.2.5 Определение параметров агента сушки на выходе из штабеля
Параметры отработавшего агента сушки (влажного воздуха) на выходе из штабеля.
Для расчетов процесса сушки необходимо знать не только параметры входящего в штабель сушильного агента, но и параметры его на выходе из штабеля: t2, ц2, d2, I2, с2, V2.
При сушке воздухом влагосодержание, г/кг,
(2.19)
Параметры t2, ц2 определяют после построения процесса сушки на Id-диаграмме.
При теоретическом построении процесса испарения влаги теплосодержание воздуха I2 на выходе из штабеля принимают равным теплосодержанию I1 воздуха, входящего в штабель, т.е. I2=I1.
Приведенный удельный объем V2 и плотность с2 выходящего из штабеля отработавшего агента сушки принимают равными объему V1 и плотности с1 входящего в штабель агента сушки, т.е. V2=V1, с2= с1.
I1 = I2 = 320 кДж/кг;
V2=V1=1,12 м3/кг;
с2= с1=0,985 кг/м3 .
t2 = 59 0C; 1=0,7;
Уточнение объема и массы циркулирующего агента сушки:
mц = 1000/(d2 - d1) = 1000/(99,5 - 99) = 2000,0 кг/кг. исп.влаги; (2.20)
Vц = mцMрVпр1 = 1607,14х0,0065х1,12= 11,7 м3/с; (2.20)
Gц = mцMр = 1607,14х0,0065 = 10,45 кг/с. (2.21)
2.2.6 Определение объема свежего воздуха и отработавшего агента сушки, удаляемого из камеры
Масса свежего воздуха и отработавшего агента сушки на 1 кг испаряемой влаги, кг/кг. исп. влаги:
mo= (2.22)
где do - влагосодержание свежего приточного воздуха, поступающего в камеру, г/кг.
При поступлении свежего воздуха из цеха, коридора управления принимают do=10-12г/кг.св.в.
Объем свежего воздуха, поступившего в камеру, м3/с:
Vo=Mp mo Vo.пр=0,0065 11,430,87=0,065 м3/с (2.23)
где Vo.пр - приведенный удельный объем свежего воздуха. При температуре to=20oC, Vo=0,87 м3/кг.
Объем отработавшего агента сушки, выбрасываемого из камеры, м3/с:
Vотр.=МрmoV2=0,006511,431,12=0,08 м3/с (2.24)
где V2 - удельный объем отработавшего агента сушки, принимаемый равным V1, м3/кг.
Площадь поперечного сечения вытяжного канала:
fкан = Vотр/vкан = 0,08/2 = 0,04 м2 (2.25)
где vкан - скорость движения отработавшего агента сушки.
Площадь поперечного сечения приточного канала:
fкан = Vо/vкан = 0,065/2 = 0,0325 м2 (2.26)
2.2.7 Определение расхода тепла на сушку древесины
Расход тепла на сушку определяют отдельно для зимних и среднегодовых условий эксплуатации сушильных камер. По зимнему расходу тепла ведется расчет тепловой мощности камер. По расходу тепла в среднегодовых условиях определяется потребность пара на производственную программу и на 1 м3 высушиваемых фактического и условного пиломатериалов, т.е. определяются исходные данные для экономических расчетов, в частности для составления калькуляции себестоимости сушки пиломатериалов.
При сушке древесины тепло в основном расходуется на начальный прогрев пиломатериалов, испарении влаги и на потери через ограждения камеры.
Расход тепла на начальный прогрев 1 м3 древесины Qнагр.1м3.
В зимних условиях тепло при нагревании пиломатериалов расходуется на нагревание древесной массы в области отрицательных и положительных температур и на оттаивание замерзшей влаги.
Для зимних условий расход тепла определятся по формулам, кДж/м3
Qнагр.1м3=с(С(-)(-tоз)+С(+)tкам.)+сусл.. (2.27)
нагр.1м3=650(2,1*31+2,8*62)+400=230195 кДж/м3
где r - скрытая теплота плавления льда (335кДж/кг);
с - плотность древесины при фактической ее влажности, побирается на диаграмме на рис.2 [5];
сусл- базисная плотность древесины, выбирается по табл. 1, кг/м3 [5];
Wн - начальная влажность древесины, %;
Wг.ж - влажность гигроскопически жидкой влаги [3], рис.1;
С(+), С(-) - удельная теплоемкость древесины соответственно при положительной и отрицательно температуре, рис. 3 [5];
tкам- температура древесины при ее нагреве, оС; при сушке в среде влажного воздуха принимается на 5оС выше температуры tс по первой ступени режима;
tоз- начальная температура древесины, принимается по табл.11[5];
При определении удельной теплоемкости древесины для С(-) принимают, оС:
tср.(-)= (2.28)
тогда C(-)=2,1 кДж/кгоС,
tср.(+)= (2.29)
тогда C(+)=2,8 кДж/кгоС,
Для среднегодовых условий, когда tс.г.>0 оС, расход тепла Qнагр.1м3 определяется по формуле:
Qнагр.1м3=сС(+)(tкам.-tс.г.)=6502,8 (62-0,8)=111384 кДж/м3 (2.30)
В этом случае среднеарифметическая температура для определения по рис. 3 [5] удельной теплоемкости С(+) подсчитывается как полусумма двух температур, оС:
tср=, (2.31)
тогда C(+)=2,8кДж/кгоС.
Расход тепла на нагревание древесины Qнагр в секунду.
Секундный расход тепла подсчитывается для зимних и среднегодовых условий, кВт:
Qнагр.=, (2.32)
где фнагр- продолжительность нагревания древесины, ч; ориентировочно принимают для пиломатериалов мягких хвойных пород на каждый сантиметр толщины 1ч, а зимой 2ч.
Для зимних:
Qнагр=,
Для среднегодовых:
Qнагр=.
Удельный расход тепла qнагр на нагревание древесины, приведенный к 1 кг. испаряемой влаги, кДж/кг.исп.влаги:
Для зимних условий:
qнагр = (2.33)
Для среднегодовых:
qнагр =
Расход тепла на испарение влаги.
При сушке в паровоздушной среде удельный расход тепла на испарение влаги, кДж/кг
qисп=1000, (2.34)
гдеI2 - теплосодержание отработавшего агента сушки, выходящего из штабеля, кДж/кг, I2=I1;
Iо - теплосодержание свежего воздуха при t=20oC;
Св - удельная теплоемкость воды, Св=4,19 кДж/кг;
tм - температура нагретой влаги в древесине, принимают равной температуре tм первой ступени режима.
Общий расход тепла на испарение влаги Qисп в секунду, кВт
Qисп.=qиспМр=2892,60,0065=18,8 кВт (2.35)
2.2.8 Расчет теплопотерь через ограждения камеры
Потери тепла в секунду через ограждения камеры Qогр. определяют по выражению:
Qогр=Fогр k (t1-tнар), (2.36)
где Fогр- площадь ограждения (подсчитывается отдельно для стен, перекрытия, дверей, пола), м2;
k- коэффициент теплопередачи ограждения, Вт/м2 град.;
tнар - температура вне сушильных камер.
Сушильные камеры будут находится в отапливаемом помещении, то tнар=15оС.
Коэффициент теплопередачи для многослойных ограждений необходимо рассчитать по формуле, Вт/м3град:
k= (2.37)
где бвн - коэффициент для внутренней поверхности ограждения, при сушке в паровоздушной среде бвн=25Вт/м2град;
в1, в2,…. вn - толщина слоев ограждения, м;
л1, л2 …. лn - коэффициенты теплопроводности материалов, составляющие слои ограждений, Вт/м2град., (табл.12 [5]);
лн - коэффициент теплопроводности для наружной поверхности ограждений, Вт/м2град., выходящих в отапливаемые помещения, лн=9Вт/м2град.
Коэффициент теплопередачи пола kпол принимают равным 0,5k наружной стены.
kпол=0,5kнар.ст (2.38)
За охлаждающую поверхность пола принимают полосу шириной 1 м вдоль наружной стены.
Для того чтобы исключить возможную конденсацию пара на внутренних поверхностях ограждений (пола, дверей, стен), когр должен удовлетворять условию:
когр 0.6 Вт/(м2хград).
Таблица 2.5 - Расчет площади поверхности ограждений сушильной камеры
Ограждения |
Формула |
Площадь, м2 |
|
Боковая наружняя стена |
Fбок.ст=LH |
8,32,2 = 18,26 |
|
Торцовая задняя стена |
Fт.ст = BH |
2,22,8 = 6,16 |
|
Торцовая передняя стена (без площади дверей) |
Fт.ст = BH - Fдв |
2,22,8 - 4,4 = 1,76 |
|
Потолок |
Fпот = LB |
8,32,8 = 23,24 |
|
Пол |
Fпол=L+ 2(B-1) |
8,3+ 2(2,8 - 1) = 11,9 |
|
Дверь |
Fдв = bh |
2,22,0= 4,4 |
где L - длина боковой стены, м (8,3);
H, B - соответственно высота и ширина камеры, м(2,2; 2,8);
h, b - соответственно высота и ширина двери, м (2,2; 2,0).
Удельный расход тепла на потери через ограждения камеры, кДж/кг.исп.влаги:
gогр= ?Qогр/Мс=3,22/0,004=805,0 кДж/кг.исп.влаги (2.39)
Суммарный удельный расход тепла на сушку древесины.
Подсчитывают для среднегодовых условий:
gсуш.=(gнагр.+gисп.+gогр.)с1, (2.40)
где с1 - коэффициент, учитывающий неизбежные потери на нагревание ограждений и конструкций камеры, транспортных средств; утечку через не плотности и вынос тепла штабелем после его сушки и др., с1=1.3.
gсуш =(525,39+2892,6+805,0)1,3=5489,9кДж/кг.исп.влаги
2.2.9 Выбор типа и расчет теплоотдающей площади калорифера
Подбор типа калорифера.
В качестве источника тепла в лесосушильной камере ИУ-1гв использованы биметаллические водяные калориферы.
Тепловая мощность калорифера.
Тепловую мощность калорифера рассчитывают по максимальному расходу тепла в период сушки в зимних условиях по формуле:
Qк=(Qисп + Qогр)с2, (2.41)
где Qисп - расход тепла на испарение влаги, кВт;
Qогр - теплопотери через ограждения камеры в зимних условиях, кВт;
с2 - коэффициент запаса на неучтенный расход, на возможное ухудшение теплоотдачи калорифера в процессе эксплуатации по причине, например, загрязнения, с2=1.1 - 1.3
Qк=(18,8 + 3,22)х1,2=26,4кВт
Расчет поверхности нагрева калорифера.
Fк=1000 Qк с3/кк(tт - tс) = 100026,41,2/21,35(84-61)=64,5 м2 , (2.42)
где кк - коэффициент теплопередачи калорифера, Вт/(м2х0С);
tт - температура теплоносителя, (84 0С);
tс - температура нагреваемой среды в камере, (610С);
с3 - коэффициент запаса (с3 = 1.2).
Живое сечение калорифера:
Fж.сеч.кал. = fж.сеч.кал nк = 2,5х1 = 2,5 м2, (2.43)
где fж.сеч.кал - живое сечение для прохода агента сушки одного калорифера, м2
nк - количество калориферов в одном ряду, перпендикулярном потоку агента сушки.
Скорость агента сушки через калорифер:
vк = Vц/ Fж.сеч.кал =11,7 /2,5 = 4,68 м/с. (2.44)
Коэффициент теплопередачи калорифера:
k = 10,2 vк 0,48 = 21,39 Вт/(м2х0С). (2.45)
Количество калориферов из биметаллических труб на одну сушильную камеру:
nk= Fk/k, (2.46)
где k - площадь нагрева одного биметаллического водяного калорифера данной марки.
nk=64,5/136,02=0,5
Принимаем 1 биметаллический водяной калорифер КСк3-12 .
2.2.10 Определение расхода воды
Расход воды на одну сушильную камеру
Dг.в = Qk /cв в t = 26,4/4,1994515 = 0, 0004 м3/сек или 1,44 м3/час, (2.47)
где Qk - тепловая мощность калорифера, кВт;
св - теплоемкость воды,
в - плотность воды, кг/м3;
t - разница между температурой воды на входе к калорифер и на выходе из калорифера.
Скорость воды:
Vв = Dг.в / fж.сеч = 0,0004 / 0,0022 =0,18 м/с (2.48)
где fж.сеч - площадь трубы калорифера.
Годовая потребность в горячей воде:
Dг = 33524nDг.в = 3352451,44 = 5,78104 м3 (2.49)
где 24- число часов в сутках; 335 - число рабочих дней в году;
n - число камер, в которых идет сушка.
2.2.11 Определение диаметров трубопроводов
Рассчитанные значения диаметров труб сравниваются со стандартными диаметрами (условным проходом) и принимаются ближайшие большие значения по ГОСТ 3262 - 72 “Трубы стальные водопроводные” (условный проход 6. 8, 10, 15, 20, 25, 32, 40, 50, 65, 80, 90, 100, 125, 150 мм).
Диаметр магистрального трубопровода, м:
dмаг= 1,27Рцех/3600вVв, (2.50)
где в - плотность воды, кг/м3;
Рцех - расход воды на сушильный цех, м3/час;
Vв - скорость движения воды, принимаем 0,001 м/с.
Рцех =nкамDг.в , (2.51)
Рцех = 201,44=28,8 м3/час;
dмаг= 1,2728,8/36009450,001 =0,098м
Принимаем трубу 100х2.8 ГОСТ 3262 - 75.
Диаметр трубы (отвода) к коллектору камеры, м:
dк= 1,27 Dг.в/3600вVв, (2.52)
Vв - скорость движения воды, принимаем 0,001 м/с.
dк=1,271,44/36009450,001=0,022м
Принимаем трубу 25х2.8 ГОСТ 3262 - 75.
Диаметр трубы к калориферу камеры, м
dк=1,27Рв/3600в Vв, (2.53)
где Рв - расход воды на сушку, м3/ч;
dк=1,27210-4/36009450,001 =0,00026м
Принимаем трубу 25х2.8 ГОСТ 3262 - 75
Диаметр увлажнительных труб для установки форсунок, м.
dувл = 1,27Рк.пр /3600рнVв, (2.54)
где Vв - скорость движения воды, принимаем 50 м/с.
dувл=1.27282,8/36001,1350 = 0,031м
Принимаем трубу 12,5х2.8 ГОСТ 3262 - 75