Тепловой расчет

2.1 Выбор расчетного материала

За расчетный материал принимают самые быстросохнущие доски из заданной спецификации. Камера в этом случае обеспечит сушку любого другого материала по спецификации.

За расчетный материал принимаем берёзовые обрезные доски толщиной 25 мм, шириной 100 мм, начальной влажностью 60%, конечной 6%, высушиваемые по 2 категории качества.

2.2 Определение количества испаряемой из материала влаги

Количество влаги, испаряемой из древесины, устанавливают на единицу объема высушиваемого материла за период оборота камеры в единицу времени. Массу влаги испаряемой из 1 м³ пиломатериалов, кг/м³, рассчитывают как:

(2.1)

где ρ _баз – средняя плотность древесины, кг/м³;

W_н W_к - соответственно начальная и конечная влажность древесины, %.

Найдем количество влаги испаряемой из древесины для нашего расчетного материала:

Количество влаги, кг испаряемой за время одного оборота камеры, определяется по формуле:

(2.2)

где E_k - вместимость камеры в расчетном материале, м³.

Определим количество влаги, кг испаряемой за время одного оборота камеры:

Масса влаги, испаряемой из камеры в секунду, определяется по следующей формуле:

(2.3)

где τ _суш - продолжительность сушки расчетного материала, ч.

Найдем массу влаги, испаряемой из камеры в секунду:

Кроме того для камер периодического действия определяется расчетное количество испаряемой влаги M_р, кг/с с помощью которого учитывают неравномерность удаления влаги в различные периоды сушки:

(2.4)

где k – коэффициент неравномерности скорости сушки, принимаемый в зависимости от значения конечной влажности древесины:

при сушке в среде перегретого пара k =1, 4.

Определим расчетного количество испаряемой влаги M_р, кг/с:

2.3 Выбор расчетных параметров сушильного агента

Параметры агента сушки определяются по таблицам режимов регламентирующих значения температуры и степени насыщенности среды в камере.

Режимы сушки в камерах периодического действия многоступенчатые, с параметрами агента сушки, отличающимися на каждом из ступеней. При высокотемпературном процессе для расчета рекомендуется принимать параметры агента сушки по I ступени режима.

Таблица 2.1 Параметры агента сушки

Средняя влажность древесины, %	Параметры режима	Толщина пиломатериалов, мм
Св. 22 до 30
Высокотемпературный режим (ВТ)
W> 20% t φ	°C °C	0, 58
W< 20% t	°C °C	0, 42

По зимним условиям рассчитывают максимальную тепловую нагрузку камеры - калориферы; по летним – сечение приточно–вытяжных каналов.

Среднегодовые параметры необходимы для определения основных технико-экономических показателей.

Выбранных расчетных параметров характеризующих состояние агента сушки и свежего воздуха (t, φ) недостаточно для дальнейших расчетов. Необходимо установить также величины плотности ρ и удельный объем V₁ агента сушки, удельная теплоёмкость с_п1 перегретого пара определяются по табл. 23 (методических указаний): t=115⁰С; удельный объём V=1, 77 м³/кг; плотность ρ =0, 565 кг/м³; относительная упругость φ = 0, 6; теплосодержание i _п=2706, 5 кДж/кг; удельная теплоёмкость с_п=2, 0195 кДж/(кг ⁰С).

2.4 Определение количества циркулирующего в камере сушильного агента

Для камер периодического действия расчет проводят следующим образом.

Определяют объем циркулирующего в штабеле (штабелях) агента сушки

V_шт, м³/с:

(2.5)

где F_ж.с.шт – площадь живого сечения штабеля, м²;

ω _шт – скорость агента сушки в штабеле, м/c.

Площадь живого сечения штабеля F_ж.с.шт, м², вычисляют по формуле:

(2.6)

где n – число штабелей в камере расположенных перпендикулярно движению потока агента сушки, шт.;

– длина штабеля, м;

h - высота штабеля, м;

β _в – коэффициент заполнения штабеля по высоте;

β _дл - коэффициент заполнения штабеля подлине.

Определим площадь живого сечения штабеля F_ж.с.шт:

Теперь мы можем определить объем циркулирующего в штабеле (штабелях) агента сушки V_шт:

Массу циркулирующего по материалу агента сушки на 1 кг испаряемой влаги М_ц, кг/кг, определяют по формуле:

(2.7)

где V_пр.1 - приведенный удельным объем агента сушки на входе в штабель, м³/кг.

Найдем массу циркулирующего по материалу агента сушки на 1 кг испаряемой влаги М_ц:

2.5 Определение параметров перегретого пара на выходе из штабеля

Производится определение температурного перепада t, ⁰С:

(2.8)

где t₁ – температура а. с. первой ступени режима, ⁰С;

t₂ - температура а. с. на выходе из штабеля, ⁰С;

r₀ – теплота испарения, принимаемая при t_м 100⁰С и р_а 1 бар равной 2260 кДж/(кг ⁰С);

с_п – удельная теплоёмкость, кДж/(кг ⁰С);

m_ц – масса циркулирующего а. с. на 1 кг испаряемой влаги, кг/кг.

Температурный перепад при сушке в среде перегретого пара находится в пределах 4-15⁰С.

Уточнение объёма и массы циркулирующего агента сушки:

G_ц=m_ц m_p (2.9)

G_ц=73, 07 0, 196=14, 3 кг/с

2.6 Определение параметров воздухообмена и расчет приточно-вытяжных каналов

Расчет проводят на условия, соответствующие максимальному воздухообмену. Параметры свежего воздуха выбирают по летнему периоду или климатическим условиям помещения, из которого происходит отбор свежего воздуха (коридора управления, здания цеха).

Расчет системы воздухообмена производится следующим образом.

Объём отработавшего перегретого пара, выбрасываемого из камеры (притока свежего воздуха нет, V₀=0), м³/с:

(2.10)

Определим объем отработавшего перегретого пара:

Площадь живого сечения вытяжного канала, м²:

(2.11)

где ω _кан – расчетная скорость потоков отработавшего перегретого пара в канале, м/c.

Скорость потока среды в приточно - вытяжных каналах (ω _кан) принимают для воздушных камер в пределах 3 – 9 м/c.

Найдем площадь живого сечения вытяжного канала:

2.7 Определение расходов тепла на сушку пиломатериалов

Суммарный расход тепла на прогрев древесины, испарение из нее влаги, компенсацию тепловых потерь через ограждения камеры. Затраты тепла на прогрев ограждений, технологического и транспортного оборудования учитываются введением поправочных коэффициентов.

Расчет тепла по всем статьям затрат производят в двух вариантах:

1) Для зимних условий (определяют тепловую нагрузку системы теплоснабжения, нагрева агента сушки);

2) Для среднегодовых условий с целью определения технико-экономических показателей теплопотребления.

2.7.1 Расход тепла на начальный прогрев древесины

Расход тепла на прогрев 1м³ замороженной древесины (для зимних условий) Q^з_пр.1м³, определяют по формуле:

(2.12)

где ρ – плотность древесины при W_н, кг/м³;

t₀ – начальная отрицательная температура древесины, загруженной в камеру, °С;

t_пр – температура, до которой прогревается древесина в камере, °С;

W_г.ж - количество связанной незамерзшей влаги, содержащейся в древесине, %;

r_ог – теплота плавления льда, принимается равной 335 кДж/кг;

c_(-), c₍₊₎ – соответственно удельные теплоемкости замороженной и прогретой до положительной температуры древесины, кДж/(кг·град).

Определим расход тепла на прогрев 1м³ замороженной древесины для нашего сечения:

Расход тепла на прогрев древесины, имеющей положительную начальную температуру Q^л_пр.1м³ , кДж/м³, определяют по формуле:

(2.13)

где t₀ – начальная температура древесины, °С;

c₍₊₎ – удельная теплоемкость древесины, кДж/(кг·град).

Рассчитаем расход тепла на прогрев древесины, имеющей положительную начальную температуру Q^л_пр.1м³:

Удельный расход тепла при прогреве древесины в расчете на 1кг испаряемой влаги q_пр, кДж/кг, устанавливают для любого периода года по формуле:

(2.14)

Найдем удельный расход тепла при прогреве древесины в расчете на 1кг испаряемой влаги q_пр для всех периодов года:

Для определения затрат тепла на прогрев древесины в единицу времени Q_пр, кВт, можно использовать выражение:

(2.15)

где E_пр – объем одновременно прогреваемых в камере пиломатериалов, м³;

τ _пр – продолжительность прогрева, ч.

Определим затраты тепла на прогрев древесины в единицу времени Q_пр для среднегодовых и зимних условий:

2.7.2 Расход тепла на испарение влаги

Расход тепла на испарение влаги определяют для зимних и среднегодовых условий.

Удельный расход тепла при сушке перегретым паром q_исп , кДж/кг, при высокотемпературном процессе определяют по формуле

(2.16)

Определим удельный расход тепла на испарение влаги q_исп:

Общий расход тепла на испарение влаги Q_исп, кВт, определяют по формуле:

Q_исп=q_исп m_p (2.17)

Определим общий расход тепла на испарение влаги Q_исп:

Q_исп =2290, 3 0, 196=448, 9 кВт

2.7.3 Расход тепла на компенсацию тепловых потерь через ограждение камеры

При расчете тепловых потерь учитывают потоки тепла через ограждение и полы лесосушильных камер.

Для расчета потерь тепла через ограждения (кроме пола) камер Q_огр , кВт, рекомендуется формула:

(2.18)

где F_j и k_j - площадь, м², и коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·град), j-го

элемента ограждения;

t_c t₀ - температура среды внутри и снаружи камеры около j – го элемента ограждения, ⁰С.

Рисунок 2.1 Расчетная схема камеры для определения тепловых потерь через ограждение

Рассчитаем потери тепла для элементов ограждения камеры Q_огр , кВт:

Суммарные потери тепла через ограждения и полы камер Q_пот, кВт, определяются по формуле:

(2.19)

Определим суммарные потери тепла Q_пот, кВт через ограждения и пол камеры:

Величину удельных потерь (на 1 кг испаряемой влаги) q_пот, кДж/кг, рассчитывают по формуле:

(2.20)

Рассчитаем величину удельных потерь q_пот, кДж/кг:

Полный удельный расход тепла на сушку пиломатериалов q_суш, кДж/кг, подсчитывают для зимних и среднегодовых условий складывая из отдельных статей затрат:

(2.21)

Найдем полный расход тепла на сушку пиломатериалов q_суш, кДж/кг:

Таблица 2.2 Расчет теплопотерь через ограждения сушильной камеры

2.7.4 Определение тепловой нагрузки для расчета калориферов и расхода теплоносителя на сушку

Расчет производится для зимних условий, соответствующих максимальному теплопотреблению лесосушильной камерой.

Для камер периодического действия тепловую нагрузку (мощность калорифера) Q_к, кВт, рассчитывают только на период собственно сушки (без затрат тепла на прогрев древесины):

(2.22)

Рассчитаем тепловую нагрузку (мощность калорифера) Q_к, кВт:

Определим живое сечение калорифера F_{ж.сеч.к.}, м²:

(2.23)

где F_кан – площадь сечения канала, в котором размещены трубы перпендикулярно потоку агента сушки, м²;

F_пр.тр – площадь проекции ребристых труб в плоскости, перпендикулярной потоку агента сушки, м².

Рассчитаем живое сечение калорифера F_{ж.сеч.к.}:

F_{ж.сеч.к.}=7, 15-4, 44=2, 71 м²

F_пр.тр=f_пр.тр n_тр (2.24)

где f_пр.тр – площадь проекции одной трубы, равная 0, 185 м²;

n_тр – количество труб в плоскости, перпендикулярной потоку.

F_пр.тр=0, 185 24=4, 44 м²

2.8 Определение расхода пара

2.8.1 Расход пара на 1 м3 расчетного материала

Определим расход пара на 1 м³ расчетного материала Р_суш.1м³:

Р_суш.1м³= (2.25)

где q_суш – суммарный удельный расход тепла на сушку для среднегодовых условий, кДж/кг;

– энтальпия сухого насыщенного пара при определённом давлении, кДж/кг;

– энтальпия кипящей воды при том же давлении, кДж/кг.

Расход пара на 1 м³ расчетного материала равен:

Р_суш.1м³= =141742, 6 кг/м³

2.8.2 Расход пара на камеру

Расход пара на камеру в период прогрева Р_кам.пр:

Р_кам.пр = (2.26)

где с₂ – коэффициент, учитывающий потери тепла паропроводами, конденсатопроводами, конденсатоотводчиками при неорганизованном воздухообмене (с₂≈ 1, 25).

Получаем расход пара на камеру в период прогрева:

Р_кам.пр =

Расход пара на камеру в период сушки Р_{кам.суш}:

Р_кам.пр = (2.27)

Получаем расход пара на камеру в период сушки:

Р_кам.пр =

2.8.3 Среднегодовой расход пара на сушку всего заданного объема пиломатериалов

Среднегодовой расход пара на сушку Р_год, определяется по следующей формуле:

Р_год=Р_суш.1м³ Ф с_длит (2.28)

где Ф – объем фактически высушенного или подлежащего сушке пиломатериала данного размера и породы, м³;

с_длит – коэффициент, учитывающий увеличение расхода пара при сушке пиломатериалов, сохнущих медленнее расчетного материала (с_длит=1, 1).

Получаем среднегодовой расход пара на сушку:

Р_год=141742, 6 1000 1, 1=155916860 кг/год